JP2020036455A - 磁歪式振動発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】より大きい発電密度を示す磁歪式振動発電装置を提供する。【解決手段】発電部と、発電部に接続される第１フレームと、第１フレームに接続される第２フレームと、を備える磁歪式振動発電装置であって、発電部は、発電部の第１端部に配置された第１の磁石と、発電部の第２端部に配置されて発電部の第１端部に向かう方向に延在する磁歪素子と、磁歪素子に巻かれるコイルと、第１の磁石と磁歪素子との間に配置され、非磁性材料からなる振動板と、を備え、第１フレームは、第１フレームの第１端部において発電部の第２端部に接続されており、磁性材料からなる第１フレームボディと、第１フレームボディに設けられた第２の磁石と、を備え、第２フレームは、第２フレームの第１端部において第１フレームの第２端部に接続されており、非磁性材料からなる第２フレームボディと、第２フレームボディに設けられた第３の磁石とを備える、磁歪式振動発電装置。【選択図】図１

Description

本発明は、磁歪素子を備えた磁歪式振動発電装置に関する。

近年、自律的に通信する機能を持ったモノ同士が情報交換を行い自動的に相互に制御を行う世界、即ち、モノのインターネット（ＩｏＴ：Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ）の世界が到来することが期待される。ＩｏＴが社会に浸透すると、通信機能を持ったＩｏＴデバイスが大量に出回ることになる。センサーのようなＩｏＴデバイスを動作させるためには電源が必要である。しかし、デバイスの数が膨大になると、配線やメンテナンスの時間およびコストの面で電源確保が困難となる。そのため、ＩｏＴの実現にはＩｏＴデバイスに適した電力供給技術が求められる。こうした背景に基づくと、我々の身の回りのどこにでもある微小エネルギーを電力に変換して活用する技術である「エネルギーハーベスティング」が重要と考えられる。エネルギー源の１つである振動は、自動車、鉄道、機械、または人等が動く度に必ず発生するため、発生箇所が多くあり、気象、天候に左右されないエネルギー源である。そのため、これら移動体の動きと連動したアプリケーションの電源供給を振動発電でまかなうシステムの構築が、ＩｏＴの実現の糸口になり得ると考えられる。

振動発電の発電方式は、磁歪式、圧電式、静電誘導式、および電磁誘導式の４種に分類される。磁歪式は、応力を加えることで磁歪材料内部の磁場の変化に伴って外部へ漏れた磁束を、巻き付けたコイルを通じて電気に変換する方式である。他の方式よりも内部抵抗が小さいため、発電量が大きい。また、磁歪材料として金属合金を使用するため耐久性に優れているという特徴を有する。そのため、磁歪式は、振動発電デバイスまたは素子の課題の１つである耐久性の向上が可能な方式として期待され得る。

磁歪式振動発電装置として、例えば、片持ち梁構造のものを挙げることができる。従来の片持ち梁構造の磁歪式振動発電装置は、磁歪材料からなる磁歪棒（または磁歪素子）と、磁歪棒に巻かれるコイルと、磁歪棒に対して平行に配置される磁性棒と、コ字状に屈曲したフレームと、フレームの内側に取り付けられた磁石とを備えている（特許文献１参照）。フレームは、磁性材料からなり、コ字状の屈曲箇所を挟んで一方の端部が固定支持されている固定端、他方の端部が自由端となっている。フレームの一部をバックヨークとして機能させると共に、当該磁石を取り付けていないフレームの内側面と当該磁石との間に空隙を形成している。

かかる一方の端部を固定端とする片持ち梁構造において、水平面内で外力（振動）を与えると、磁歪棒に引張および圧縮応力が加わり、磁力線は交番磁界に変化する。そのため、磁束密度の時間変化に比例して電圧が発生するという電磁誘導の法則に基づいてコイルに電圧を発生させ、これを電気エネルギーとして取り出す仕組みになっている。

国際公開第２０１５／１４１４１４号公報

しかしながら、上述したような磁歪式振動発電装置では、磁歪素子内を通る磁力線の交番状となる変化が小さいため、発電密度（体積当たりの発電量）が小さく、ＩｏＴの実現となり得る高出力化（高発電量化）を実現できない。実用化には、磁歪式振動発電装置の発電密度を向上させることが必要である。例えば、タイヤ空気圧監視システムや工場内センサーネットワークに磁歪式振動発電装置を適用する場合、消費電力密度は約１．０ｍＷ／ｃｍ^３が求められる。

本発明では、より大きい発電密度を示す磁歪式振動発電装置を提供することを目的とする。

本発明の要旨によれば、発電部と、該発電部に接続される第１フレームと、該第１フレームに接続される第２フレームと、を備える磁歪式振動発電装置であって、
前記発電部は、第１端部および第２端部を有し、該発電部の前記第１端部に配置された第１の磁石と、該発電部の前記第２端部に配置されて該発電部の前記第１端部に向かう方向に延在し、かつ磁歪材料からなる磁歪素子と、該磁歪素子に前記方向に沿って巻かれるコイルと、前記第１の磁石と前記磁歪素子との間に配置され、かつ非磁性材料からなる振動板と、を備え、
前記第１フレームは、第１端部および第２端部を有し、かつ該第１フレームの該第１端部において前記発電部の前記第２端部に接続されており、該第１フレームの該第１端部および該第２端部の間に亘って延在し、かつ磁性材料からなる第１フレームボディと、前記発電部の前記磁歪素子と対向するように該第１フレームボディに設けられた第２の磁石と、を備え、
前記第２フレームは、第１端部および第２端部を有し、かつ該第２フレームの該第１端部において前記第１フレームの該第２端部に接続されており、該第２フレームの該第１端部および該第２端部の間に亘って延在し、かつ非磁性材料からなる第２フレームボディと、前記第１の磁石と対向するように該第２フレームボディに設けられた第３の磁石とを備える、
磁歪式振動発電装置が提供される。

本発明の１つの態様において、前記第１フレームボディおよび前記第２フレームボディの少なくとも一方が、Ｌ字形状を有し得る。

本発明の１つの態様において、前記第１の磁石と前記第３の磁石との間に隙間が形成され得る。

本発明の１つの態様において、前記第２の磁石と前記磁歪素子との間に空隙が形成され得る。

本発明の１つの態様において、前記第２の磁石が、前記磁歪素子と、該磁歪素子の前記振動板側の端部にて対向するように前記第１フレームボディに設けられ得る。

本発明の１つの態様において、前記磁歪材料は、下記式（１）
Ｆｅ_{（１００−α−β）}Ｇａ_αＸ_β・・・（１）
（式（１）中、αおよびβは、それぞれＧａ含有率（ａｔ％）およびＸ含有率（ａｔ％）であり、Ｘは、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、ＣｕおよびＣからなる群から選択される１以上の元素であり、５≦α≦４０かつ０≦β≦１を満たす）
で表される、ＦｅＧａＸ単結晶合金であり得る。

本発明の上記態様において、Ｘは、Ｓｍ、ＣｕおよびＣからなる群から選択される１以上の元素であり、１４≦α≦１９かつ０．５≦β≦１を満たす、請求項６に記載の磁歪式振動発電装置。

本発明の１つの態様において、前記第１の磁石、前記第２の磁石および前記第３の磁石の少なくとも１つがネオジム磁石であり得る。

本発明によれば、より大きい発電密度を示す磁歪式振動発電装置が提供される。

本発明の実施形態における磁歪式振動発電装置を示す斜視図である。 本発明の実施形態における磁歪式振動発電装置を示す断面図である。 本発明の実施形態の磁歪式振動発電装置に用いられるＦｅＧａ合金の磁歪素子の磁歪量を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態における磁歪式振動発電装置について説明する。しかし、本発明はかかる実施形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の実施形態における磁歪式振動発電装置を示す斜視図である。図２は、本発明の実施形態における磁歪式振動発電装置を示す断面図である。図１および図２に示すように、磁歪式振動発電装置１００は、発電部１と、該発電部１に接続される第１フレーム２と、該第１フレーム２に接続される第２フレーム３とを備える。

発電部１、第１フレーム２および第２フレーム３は、各々、一方および他方の端部である、発電部の第１端部１ａおよび発電部の第２端部１ｂ、第１フレームの第１端部２ａおよび第１フレームの第２端部２ｂ、ならびに第２フレームの第１端部３ａおよび第２フレームの第２端部３ｂを有しており、発電部の第２端部１ｂと第１フレームの第１端部２ａとが接続されており、第１フレームの第２端部２ｂと第２フレームの第１端部３ａとが接続されている。

発電部の第２端部１ｂと第１フレームの第１端部２ａとの接続方法は、全体として本実施形態における磁歪式振動発電装置１００が、その機能、具体的には後述するような適切な磁気閉回路を形成する機能、を大きく阻害されない限り、特に限定されない。例えば、ねじ、ボルト、ナット、はんだ、接着剤、蝋材等、これらの中でも特に、ねじ、ボルト、ナットで固定する方法が挙げられる。

第１フレームの第２端部２ｂと第２フレームの第１端部３ａとの接続方法は、特に限定されない。例えば、各々の端面を、ねじ、ボルト、ナット、はんだ、接着剤、蝋材、両面テープ等にて接合することによって固定する方法が挙げられる。

図１および図２に示すように、発電部１は、第１の磁石４と、磁歪素子５と、コイル６と、振動板７とを備えている。

第１の磁石４は、発電部の第１端部１ａに配置されており、振動板７の一方の端部に取り付けられている。第１の磁石４は、磁性材料を引き寄せる性質を有し、双極性の磁場を発生させる物質であれば、特に限定されない。例えば、ネオジム磁石、サマリウムコバルト磁石、アルニコ磁石等が挙げられる。好ましくは、第１の磁石４は、ネオジム磁石である。

磁歪素子５は、磁歪材料から構成されている。さらに、磁歪素子５は、発電部の第２端部１ｂに配置されて、発電部の第１端部１ａに向かう方向に延在している。磁歪素子５の具体的な形状は、特に限定されない。図１および図２では直方体形状（板状の形状ともいう）であるが、例えば、立方体形状、円柱形状、多角柱形状またはその他の立体形状等をでも構わない。板状の形状の場合、大きさは、例えば、断面寸法において幅５ｍｍ〜２０ｍｍおよび高さ１ｍｍ〜３ｍｍ、好ましくは幅１０ｍｍおよび高さ１ｍｍ程度であり、長手方向の長さ（互いに対向する一方の端部と他方の端部との間の距離）が１０ｍｍ〜３０ｍｍ、好ましくは３０ｍｍ程度、より好ましくは２０ｍｍ程度の形状とすることができる。

本開示において、「磁歪材料」とは、磁界が印加されることによって寸法変化を生じ得る任意の材料をいう。磁歪材料の種類は、限定されない。例えば、磁歪特性を有するＦｅＧａ合金、ＦｅＧａＸ合金（Ｘは、例えば、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、ＣｕおよびＣからなる群から選択される１以上の元素）、ＦｅＣｏ合金等の単結晶構造の材料、多結晶構造の材料およびアモルファスの材料の１以上を含む材料を用いることができる。

図３は、本発明の実施形態の磁歪式振動発電装置に用いられるＦｅＧａ合金の磁歪素子の磁歪量を示すグラフである。図３は、縦軸に磁歪量（ｐｐｍ）、横軸に印加磁場強度（Ｏｅ）を表し、ＦｅＧａ合金に一様な圧縮力を印加して磁歪量を測定した結果である。ここで磁歪量（ｐｐｍ）とは、磁歪材料における磁歪効果による寸法変化の割合をいう。より詳細には、本開示では、磁歪量（ｐｐｍ）は、歪みゲージのゲージ軸に対して平行に磁場を印加した際の磁歪素子の試料の歪みから、歪みゲージのゲージ軸に対して垂直に磁場を印加した際に測定される歪みを差し引いた値で表される。本実施形態で用いられる磁歪素子５は、好ましくは、図３に示すように、圧縮応力下において飽和磁歪量が無負荷時よりも高くなっている。

より好ましくは、磁歪素子５の磁歪材料は、下記式（１）
Ｆｅ_{（１００−α−β）}Ｇａ_αＸ_β・・・（１）
（式（１）中、αおよびβは、それぞれＧａ含有率（ａｔ％）およびＸ含有率（ａｔ％）であり、Ｘは、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、ＣｕおよびＣからなる群から選択される１以上の元素であり、５≦α≦４０かつ０≦β≦１を満たす）
で表される、ＦｅＧａＸ単結晶合金である。

なお、上記式（１）のＦｅＧａＸ単結晶合金では、β＝０の場合も含むため、ＦｅＧａの２元系合金も含まれるものとする。

さらに好ましくは、上記式（１）において、Ｘは、Ｓｍ、ＣｕおよびＣからなる群から選択される１以上の元素であり、１４≦α≦１９かつ０．５≦β≦１を満たす。他の実施形態では、上記式（１）において、１４≦α≦１９かつβ＝０、好ましくは１７≦α≦１８．４かつβ＝０を満たし得る。

本開示において、上述したような合金（例えばＦｅＧａ合金またはＦｅＧａＸ合金）における元素の含有率は、合金全体の原子数に対する各元素の原子数の割合であり、ａｔ％（原子パーセント）の単位を用いて表される。より詳細には、合金における元素の含有率は、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）で分析することにより、各元素のａｔ％を測定した値をいう。例えば、ＥＰＭＡでライン分析した値の平均値をいう。本実施形態の磁歪材料が、上述した組成の合金からなる場合、列挙した元素で実質的に構成されている限り、不可避的に混入する微量元素（例えば、酸素０．００５ａｔ％未満）を含み得る。

磁歪素子５が、例えば、上記式（１）のＦｅＧａＸ単結晶合金からなる場合、好ましくは、互いに対向する一方の端部および他方の端部との間で長手方向に延在して、該長手方向と平行に、該単結晶合金の＜１００＞結晶方位を有する。これは、ＦｅＧａ単結晶合金またはＦｅＧａＸ単結晶合金では、＜１００＞方位が磁化され易い方位であり、より効率的に磁歪特性を得ることができるためである。

さらに好ましくは、上記式（１）のＦｅＧａＸ単結晶合金からなる磁歪素子５が、互いに対向する一方の端部および他方の端部との間で長手方向に延在して該長手方向と平行に該単結晶合金の＜１００＞結晶方位を有する場合、Ｇａ濃度（ａｔ％）が一方の端部から他方の端部に向かう方向に減少する勾配、特に単調減少する勾配（または傾斜）を有する。より好ましくは、このようなＧａ濃度の勾配を有する磁歪素子５は、Ｇａ濃度が高い一方の端部を発電部の第２端部１ｂに配置し、Ｇａ濃度が低い他方の端部を振動板７と接続させる。磁歪式振動発電装置１００は片持ち梁構造であるため、フレーム端側が磁歪素子５に加える応力は、振動板７側が磁歪素子５に加える応力よりも大きくなり得る。本発明者らは、Ｇａ濃度がより高い箇所では、加わる応力が大きいと、無負荷時と応力印加時との磁束密度差が大きくなり、一方、Ｇａ濃度がより低い箇所では、加わる応力が小さいと、無負荷時と応力印加時との磁束密度差が大きくなるということを見出した。そのため、磁歪素子５についてＧａ濃度がより低い端部を振動板７と接続させることによって、磁歪素子５全体の磁束密度の変化を効果的に大きくすることができ、発電量および発電密度の向上に繋がり得ることが考えられる。なお、このように磁歪素子５がＧａ濃度の勾配を有する場合、ＥＰＭＡにより、磁歪素子５の中心を一方の端部側から他方の端部側まで複数の位置でのスポット分析またはライン分析等を実施することにより、各位置におけるＧａ濃度を測定することができる。

このような上記式（１）のＦｅＧａＸ単結晶合金からなる磁歪素子５は、任意の適切な合金製造方法を用いることができ、特に限定されない。例えば、チョクラルスキー法（ＣＺ法）、ブリッジマン法、または急冷凝固法等が挙げられる。ＣＺ法により製造すると、大型の結晶において、化学組成および結晶方位を精度良く製造することができる。Ｇａ濃度の勾配を形成させる場合は、例えばＣＺ法において、ルツボを種結晶回転方向と逆回転に回転させ、および各工程における条件（例えば種結晶およびルツボの回転数、圧力等の条件）を適宜調整し、ＥＰＭＡ分析により測定および確認することによって、当業者であれば作製することが可能である。所望の形状の磁歪素子５を得るには、任意の公知の手法を用いることができる。例えば、ワイヤー放電加工等によって切り出すことができる。

コイル６は、磁歪素子５に、発電部の第２端部１ｂから発電部の第１端部１ａに向かう方向に沿って巻かれている。コイル６は、電磁誘導の法則により磁歪素子５内を通る磁力線の時間変化に比例して、電圧を発生させる。コイル６の材質は、特に限定されない。例えば、銅線等を用いることができる。発生電圧はＶ＝Ｎ・ｄΦ／ｄｔで求めることができる。ここで、Ｎはコイル６の巻き数、Φは磁束である。したがって、時間当たりの磁束の変化量を増やすか、またはコイル６の巻数を増やすことにより、発生電圧を大きくすることができる。時間当たりの磁束の変化量は、発電素子の共振周波数等のその機械的特性により決定される。したがって、発電素子の発電電圧を大きくするためには、コイル６の巻数を増やすことがより容易な方法である。

振動板７は、第１の磁石４と磁歪素子５との間に配置されている。振動板７は、非磁性材料からなれば、特に材料は限定されない。例えば非磁性金属（例えばアルミニウム、チタン、銅、真鍮）、樹脂（例えばアクリル樹脂）等の材料で構成されている。振動板７の寸法（長さおよび厚さ）を変化させること、または振動板７に錘を付けること等によって、振動板７のバネ特性を変化させて共振周波数を調節することができる。

第１の磁石４と振動板７および振動板７と磁歪素子５の取り付け（または接続）方法は、特に限定されない。例えば、ねじ、ボルト、ナット、はんだ、接着剤、蝋材、両面テープ等を用いて固定する方法が挙げられる。好ましくは、ねじ、ボルト、ナット等で固定されている。

第１フレーム２は、第１フレームボディ２Ａと、第２の磁石８とを備える。第１フレームボディ２Ａは、第１フレームの第１端部２ａおよび第１フレームの第２端部２ｂの間に亘って延在しており、磁性材料、特に強磁性材料からなる。例えば、強磁性金属材料である、冷間圧延鋼板および鋼帯（ＳＰＣＣ、ＳＰＣＤ、ＳＰＣＥ、ＳＰＣＦ、ＳＰＣＧ）等を挙げることができる。図１および図２に示す第１フレームボディ２Ａの形状は、Ｌ字形状であるが、最終的に各々の構成要素が接続されて磁歪式振動発電装置１００として機能する形状であれば、特に限定されない。例えば、コの字形状、Ｕ字形状等でも構わない。

第２の磁石８は、発電部１の磁歪素子５と対向するように第１フレームボディ２Ａに設けられている。例えば、図２に示すＡ地点またはＡ地点から少しＢ地点の方向へ移動した箇所において設けられている。好ましくは、図１および図２に示すように、第２の磁石８と磁歪素子５との間に空隙１０が形成されるよう設けられ得る。このように空隙１０を形成すると、図１に示す空隙１０を介して、第２の磁石８と、磁歪素子５と、第１フレームボディ２Ａとを通る磁気閉回路１１が好適に形成される。より好ましくは、第２の磁石８が、磁歪素子５と、該磁歪素子５の振動板７側の端部にて対向するように第１フレームボディ２Ａに設けられ得る。このような位置に設けられることによって、より効果的に磁気閉回路１１を形成することができる。

第１フレームボディ２Ａと第２の磁石８との設置方法は、例えば磁性材料の第１フレームボディ２Ａの上に第２の磁石８を載置するだけでよい。第２の磁石８を載置すると、その磁気力によって、第１フレームボディ２Ａと磁力線が通う状態において接着され得る。あるいは、他の磁力を通す方法にて固定しても構わない。第１フレームボディ２Ａと第２の磁石８とを磁力線が通い難い種類の接着剤等で接着すると、磁気抵抗となり、磁気閉回路１１の大きさが小さくなってしまう。

第２の磁石８の例としては、前述した第１の磁石４と同様の種類のものを挙げることができる。

第２フレーム３は、第２フレームボディ３Ａと、第３の磁石９とを備える。第２フレームボディ３Ａは、第２フレームの第１端部３ａおよび第２フレームの第２端部３ｂの間に亘って延在しており、非磁性材料からなる。例えば非磁性金属（例えばアルミニウム、チタン、銅、真鍮）、樹脂（例えばアクリル樹脂）等の材料からなる。図１および図２に示す第２フレームボディ３Ａの形状は、Ｌ字形状（逆向きのＬ字形状）であるが、最終的に各構成要素が接続されて本実施形態の磁歪式振動発電装置１００として機能する形状、具体的には後述する第３の磁石９を第１の磁石４と対向するように適切に設けられる形状であれば、特に限定されない。例えば、コの字形状、Ｕ字形状等でも構わない。

第３の磁石９は、第１の磁石４と対向するように第２フレームボディ３Ａに設けられている。例えば、図１および図２に示すように、第２フレームの第２端部３ｂにおいて、振動板７の一方の端部に固定された第１の磁石４と第３の磁石９との間に、磁石の反発力が働く隙間が形成されるように設けられている。すなわち、第３の磁石９は、第１の磁石４に対して、反発力を形成する磁極を向くように設けられ得る。第３の磁石９の例としては、前述した第１の磁石４と同様の種類のものを挙げることができる。なお、ある実施形態では、第１の磁石４、第２の磁石８および第３の磁石９の少なくとも１つがネオジム磁石であり得る。

第２フレームボディ３Ａと第３の磁石９との固定方法は、特に限定されない。例えば、ねじ、ボルト、ナット、はんだ、接着剤、蝋材、両面テープ等、これらの中でも特に、ねじ、ボルト、ナットで固定する方法が挙げられる。さらに、第２フレームボディ３Ａの各辺の長さを変更することにより、第１の磁石４と第３の磁石９との距離を適宜調整することができる。これにより、磁歪素子５に加える圧縮力の大きさを変化させることができる。

このように、本実施形態における磁歪式振動発電装置１００では、磁歪素子５と第２の磁石８とが対向することによって、磁気閉回路１１を形成させることができる。さらに、第１の磁石４と第３の磁石９も対向することによって、磁気による反発力が働く。これらの作用によって、磁歪素子５に一定の圧縮力を印加し、磁歪素子５を通る磁力線の数を増加させて、磁歪材料の物性値である磁歪量を増大させることができる。その結果、磁歪式振動発電装置１００の発電量、すなわち発電密度を増加させることができる。

以下、本発明を実施例および比較例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

実施例１〜実施例５および比較例１〜比較例９では、磁歪素子の組成、振動板の材質、第１の磁石の有無、第２の磁石の有無、第２の磁石の位置、第３の磁石の有無、第１フレームボディの材質、および第２フレームボディの材質を変化させ、図１および図２に示すような磁歪式振動発電装置を作製し、発電密度を評価した。各実施例および各比較例についての条件の詳細については、後の表１−１〜表１−２および表２−１〜表２−３に示す。各磁歪式振動発電装置は、次の手順で作製した。

まず、磁歪素子を作製するため、Ｆｅ（純度９９．９９９％）およびＧａ（純度９９．９９９％）を、電子天秤を用いてそれぞれ秤量した。実施例３〜実施例５ではＳｍ（純度９９．９９９％）、Ｃｕ（純度９９．９９９％）またはＣ（純度９９．９９９％）も、電子天秤を用いてそれぞれ秤量した。最終的な各合金試料における各元素の含有率は、ＥＰＭＡ分析により測定および調整した。比較例１については、磁歪素子としてＳＰＰＣ（強磁性体）をそのまま用いた。

各合金の試料は、高周波誘導加熱型ＣＺ炉を用いて育成した。内径φ５０ｍｍのグラファイトルツボの内側に、外径φ４５ｍｍの緻密質アルミナ製ルツボを配置し、秤量した各合金試料についてのＦｅおよびＧａ（ならびにＳｍ、ＣｕまたはＣ）の原料４００ｇを投入した。原料を投入したルツボを育成炉に投入し、炉内を真空にした後、アルゴンガスを導入した。その後、炉内が大気圧となった時点で、装置の加熱を開始し、融液となるまで、１２時間かけて加熱した。＜１００＞方位に切り出したＦｅＧａ単結晶を種結晶として用い、種結晶を融液の近くまで降下させた。種結晶を５ｐｐｍで回転させながら徐々に降下させて、種結晶の先端を融液に接触させた。試料にＧａ濃度の勾配を形成するために、ルツボを種結晶とは逆の向きに１０ｒｐｍで回転させ、温度を徐々に降下させながら、その後、引き上げ速度１．０ｍｍ／ｈｒの速度で種結晶を上昇させて結晶成長を行った。その結果、直径１０ｍｍ、直胴部の長さ８０ｍｍのＧａ濃度（ａｔ％）の勾配を有した単結晶合金が得られた。ワイヤー放電加工によって、得られた単結晶合金を、測定用試料の板状の形状に切り出した。該板状の形状は、断面寸法において幅１０ｍｍおよび高さ１ｍｍであり、長さ（長手方向の長さ）が２０ｍｍとなるように切り出した。この際、該板状の形状の長手方向がＦｅＧａ合金の＜１００＞方位に対して平行となるように切り出した。このようにして、各実施例および各比較例における合金の磁歪素子の試料を得た。なお、Ｓｍ、ＣｕまたはＣについては、各磁歪素子において濃度の勾配は形成されなかった。これは、Ｇａの融点が他の元素と比べて極めて低いのでＧａが優先的に揮発するため、かつＳｍ、ＣｕまたはＣは微量しか添加されなかったためと考えられる。比較例１を除き得られた磁歪素子はＧａ濃度の勾配を形成しているが、後の表１−１〜表１−２および表２−１〜表２−３に示す磁歪素子の組成は、磁歪素子の一方の端部（後に振動板に取り付けられる端部）から他方の端部（後に第１フレームに取り付けられる端部）までの長手方向に沿った板状の形状における中心線をＥＰＭＡによりライン分析した値の平均値で示している。

得られた磁歪素子を、ボルトとナットを用いて、後の表１−１〜表１−２および表２−１〜表２−３に示す各実施例および各比較例における材料（アルミニウムまたはＳＰＰＣ）からなる振動板の一方の端部に取り付けた。この際、ＥＰＭＡにより分析されたＧａ濃度が低い端部を振動板に取り付けた。次いで、比較例３を除き、振動板の他方の端部に、接着剤を用いてネオジム磁石からなる第１の磁石を取り付け、磁歪素子の周囲に沿ってコイルを巻き付け、発電部を作製した。最後に、Ｌ字形状の第１フレームボディ（ＳＰＰＣまたはアルミニウム）とＬ字形状の第２フレームボディ（ＳＰＰＣまたはアルミニウム）に、各々、ネオジム磁石からなる第２の磁石（比較例４は無し）および第３の磁石（比較例７は無し）を、接着剤（第２の磁石については前述した磁気閉回路の形成を阻害しない接着剤を使用）を用いて接着し、第１フレームと第２フレームを作製した。その後、第１フレームと第２フレームとを、ボルトとナットを用いて固定した。最後に、同様にボルトとナットを用いて、固定したフレームの第１フレーム側の端部を、発電部の磁歪素子側の端部に固定し、各実施例および各比較例の磁歪式振動発電装置を作製した。なお、第１フレームボディ上の第２の磁石（比較例４は無し）の位置は、後の表１−１〜表１−２および表２−１〜表２−３に示すように、各実施例および各比較例において、図２に示すＡ地点、Ｂ地点またはＣ地点のいずれかになるよう変更した。Ｂ地点およびＣ地点は、それぞれＡ地点より固定された両フレームの長辺の向きと平行な方向に、１０ｍｍずつ第１フレームボディ側または第２フレームボディ側に移動させた地点である。

作製した各実施例および各比較例の磁歪式振動発電装置を加振器に設置して、発電密度を測定した。具体的には、加振器により加速度が２Ｇとなるように振動を加えた。その際の発生電圧をオシロスコープによって検出して、共振周波数時の発電量を算出し、磁歪式振動発電装置のサイズで除算することにより、発電密度を算出した。

以下の表１−１〜表１−２および表２−１〜表２−３に、実施例１〜実施例５および比較例１〜比較例９の磁歪式振動発電装置の構成部材等の詳細と発電密度の測定結果を示す。前述したように、タイヤ空気圧監視システムや工場内センサーネットワーク等に磁歪式振動発電装置を適用する場合、少なくとも約１．０ｍＷ／ｃｍ^３以上の消費電力密度が必要とされる。そのため、算出される発電密度が、１．０ｍＷ／ｃｍ^３以上を○とし、１．０ｍＷ／ｃｍ^３未満を×として判定した。

上記表１−１〜表１−２に示すように、実施例１〜実施例５の発電密度は、各々、２．４ｍＷ／ｃｍ^３、２．２ｍＷ／ｃｍ^３、２．７ｍＷ／ｃｍ^３、２．５ｍＷ／ｃｍ^３、２．６ｍＷ／ｃｍ^３となった。これらの値は１．０ｍＷ／ｃｍ^３以上であるため、判定はすべて〇となった。

これは、第２の磁石、磁歪素子、および第１フレームボディの間に、磁気閉回路が形成され、対向する第１の磁石と第３の磁石との間には、磁石の反発力が働く隙間が形成されることによるものと考えられる。その結果、磁歪素子に一定の圧縮力が印加され、磁歪素子内を通る磁力線の数を増加させ、かつ磁歪材料の物性値である磁歪量を増大させ、発電密度が増加したと考えられる。

特に、実施例３〜実施例５のように、ＦｅＧａ合金に第三元素（Ｓｍ、ＣｕまたはＣ）を微量添加することで、ＦｅＧａの２元系である実施例１および実施例２よりも、発電密度が向上していることがわかる。これは、第三元素を微量添加することで、磁歪量が増加したことが要因だと考えられる。また、Ｓｍは希土類であって、同じ希土類であるＥｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙにおいても同様の効果を得ることが想定される。

一方、比較例１において、磁歪素子組成を磁性材料であるＳＰＣＣにすると、発電密度は０．０５ｍＷ／ｃｍ^３と非常に小さくなり、判定は×となった。ＳＰＣＣは強磁性材料ではあるが、磁歪効果が小さく、すなわち磁歪量が小さい。そのため、磁束密度変化を起こすことができず、その結果、発電密度が小さくなったと考えられる。

比較例２において、振動板を強磁性材料であるＳＰＣＣに変更したところ、発電密度は０．３ｍＷ／ｃｍ^３となり、１．０ｍＷ／ｃｍ^３未満となったため、判定は×となった。これは、第２の磁石の磁力線が、振動板と磁歪素子との両方に流れたため、磁歪素子に流れる磁力線が少なくなり、その結果発電密度が小さくなったと考えられる。

比較例３および比較例７において、第１の磁石または第３の磁石を無くした場合、発電密度は各々０．６ｍＷ／ｃｍ^３および０．４ｍＷ／ｃｍ^３となり、１．０ｍＷ／ｃｍ^３未満となったため、判定は×となった。これは、各々磁石を無くすことで反発力がなくなり、磁歪素子に圧縮力が印加されなくなったため、磁歪量が小さくなり、その結果発電密度が小さくなったと考えられる。

比較例４において、第２の磁石を無くした場合、発電密度は、０．０３ｍＷ／ｃｍ^３と非常に小さくなり、判定は×となった。これは、第２の磁石を無くすことで、磁歪素子を磁化させる磁場発生源がなくなったため、磁歪素子に磁力線が通らなくなり、その結果発電密度が小さくなったと考えられる。

比較例５および比較例６において、第２の磁石の位置を、第１フレームボディ側のＢ地点または第２フレームボディ側のＣ地点へ移動させた場合、発電密度は各々０．９ｍＷ／ｃｍ^３および０．２ｍＷ／ｃｍ^３となり、１．０ｍＷ／ｃｍ^３未満となったため、判定は×となった。これは、いずれの場合も磁気閉回路を効率よく形成することができず、磁歪素子内の磁力線の数が減ってしまったため、磁歪量が小さくなり、その結果発電密度が小さくなったと考えられる。

比較例８において第１フレームボディを非磁性材料であるアルミニウムに変更し、比較例９において第２フレームボディを磁性材料であるＳＰＣＣに変更した場合、発電密度はどちらも０．２ｍＷ／ｃｍ^３となり、１．０ｍＷ／ｃｍ^３未満となったため、判定は×となった。これは、上記比較例５および比較例６と同様に、磁気閉回路を効率よく形成することができず、磁歪素子内の磁力線の数が減ってしまったため、磁歪量が小さくなり、その結果発電密度が小さくなったと考えられる。

以上の結果から、本発明の磁歪式振動発電装置の構成によると、磁歪素子に一定の圧縮力が印加され、磁歪素子を通る磁力線の数が増加して、磁歪材料の物性値である磁歪量が増大することによって、発電密度を増加させることができるということが確認された。

本発明の磁歪式振動発電装置は、より大きい発電密度を示すため、ＩｏＴの実現の糸口になり得る磁歪式センサーまたは磁歪式アクチュエータ等に好適に適用することができる。

１ 発電部
１ａ 発電部の第１端部
１ｂ 発電部の第２端部
２ 第１フレーム
２ａ 第１フレームの第１端部
２ｂ 第１フレームの第２端部
２Ａ 第１フレームボディ
３ 第２フレーム
３ａ 第２フレームの第１端部
３ｂ 第２フレームの第２端部
３Ａ 第２フレームボディ
４ 第１の磁石
５ 磁歪素子
６ コイル
７ 振動板
８ 第２の磁石
９ 第３の磁石
１０ 空隙
１１ 磁気閉回路
１００ 磁歪式振動発電装置

Claims (8)

1. 発電部と、該発電部に接続される第１フレームと、該第１フレームに接続される第２フレームと、を備える磁歪式振動発電装置であって、
   前記発電部は、第１端部および第２端部を有し、該発電部の前記第１端部に配置された第１の磁石と、該発電部の前記第２端部に配置されて該発電部の前記第１端部に向かう方向に延在し、かつ磁歪材料からなる磁歪素子と、該磁歪素子に前記方向に沿って巻かれるコイルと、前記第１の磁石と前記磁歪素子との間に配置され、かつ非磁性材料からなる振動板と、を備え、
   前記第１フレームは、第１端部および第２端部を有し、かつ該第１フレームの該第１端部において前記発電部の前記第２端部に接続されており、該第１フレームの該第１端部および該第２端部の間に亘って延在し、かつ磁性材料からなる第１フレームボディと、前記発電部の前記磁歪素子と対向するように該第１フレームボディに設けられた第２の磁石と、を備え、
   前記第２フレームは、第１端部および第２端部を有し、かつ該第２フレームの該第１端部において前記第１フレームの該第２端部に接続されており、該第２フレームの該第１端部および該第２端部の間に亘って延在し、かつ非磁性材料からなる第２フレームボディと、前記第１の磁石と対向するように該第２フレームボディに設けられた第３の磁石とを備える、
   磁歪式振動発電装置。
2. 前記第１フレームボディおよび前記第２フレームボディの少なくとも一方が、Ｌ字形状を有する、請求項１に記載の磁歪式振動発電装置。
3. 前記第１の磁石と前記第３の磁石との間に隙間が形成されている、請求項１または２に記載の磁歪式振動発電装置。
4. 前記第２の磁石と前記磁歪素子との間に空隙が形成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁歪式振動発電装置。
5. 前記第２の磁石が、前記磁歪素子と、該磁歪素子の前記振動板側の端部にて対向するように前記第１フレームボディに設けられている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の磁歪式振動発電装置。
6. 前記磁歪材料は、下記式（１）
   Ｆｅ_{（１００−α−β）}Ｇａ_αＸ_β・・・（１）
   （式（１）中、αおよびβは、それぞれＧａ含有率（ａｔ％）およびＸ含有率（ａｔ％）であり、Ｘは、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、ＣｕおよびＣからなる群から選択される１以上の元素であり、５≦α≦４０かつ０≦β≦１を満たす）
   で表される、ＦｅＧａＸ単結晶合金である、
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の磁歪式振動発電装置。
7. Ｘは、Ｓｍ、ＣｕおよびＣからなる群から選択される１以上の元素であり、１４≦α≦１９かつ０．５≦β≦１を満たす、請求項６に記載の磁歪式振動発電装置。
8. 前記第１の磁石、前記第２の磁石および前記第３の磁石の少なくとも１つがネオジム磁石である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の磁歪式振動発電装置。

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