JP2020122176A - Method for manufacturing oscillation power generation device and method for manufacturing magneto-striction component - Google Patents

Method for manufacturing oscillation power generation device and method for manufacturing magneto-striction component Download PDF

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Abstract

To provide a method for manufacturing an oscillation power generation device which improves productivity of a magneto-striction component having a large magnetostriction constant.SOLUTION: An oscillation power generation device 1 includes a body 2 to be oscillated that is propagated by receiving oscillation from an oscillation source 3, magnetic field action means 4 acting a magnetic field on at least a part of the body 2 to be oscillated, a magneto-striction component 5 which is provided in an action region of a magnetic field by the magnetic field action means 4 in the body 2 to be oscillated and includes a magneto-striction material, and a coil 6 which is wound around the magneto-striction component 5 and carries out electromagnetic induction depending on distortion of the magneto-striction material of the magneto-striction component 5. When the oscillation power generation device 1 is manufactured, the magneto-striction component 5 is manufactured through a molding step 11 of filling a predetermined magneto-striction component-shaped die (molding die 12) with a powdery magneto-striction crystal material M1, and performing molding, and a discharge plasma sintering step 14 of carrying out discharge plasma sintering on a magneto-striction molding 13 containing the magneto-striction crystal material molded in the molding step 11, and obtaining a magneto-striction sintered body 16.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、モータ、橋梁、人の動きなどの振動源からの振動によって発電する振動発電デバイスに係り、特に、磁歪材料からなる磁歪部品を用いた振動発電デバイスの製造方法及び磁歪部品の製造方法に関する。 The present invention relates to a vibration power generation device that generates power by vibration from a vibration source such as a motor, a bridge, or a person's movement, and particularly to a method for manufacturing a vibration power generation device using a magnetostrictive component made of a magnetostrictive material and a method for manufacturing the magnetostrictive component. Regarding

従来における振動発電技術としては、圧電素子を利用した技術(圧電素子に何らかの方法で外部から力を加えることにより、圧電素子を変形させて発電する技術)や、磁歪素子を利用した技術(磁歪素子に磁石やコイルを用いた逆磁歪効果を利用した発電技術)が既に知られている。
この種の振動発電デバイスとしては例えば特許文献1〜3に記載のものがある。
特許文献1には、音による空気の圧力変動を利用して圧電素子により発電する音力発電装置、および、振動による圧力変動を利用して圧電素子により発電する振動力発電装置が記載されている。これは人の声の振動を圧電セラミックを変形させて電力を得る方式であるが、スピーカから音を出すμWレベルの電力は得られるものの、IOT通信に必要なmWレベルの電力は得られない。
また、特許文献2には、磁歪素子を利用した振動発電装置として、磁歪材料を固定した磁歪棒を片持ち梁構造とし、当該磁歪棒に曲げ応力を印加することにより磁歪材料を曲げ変形させ、逆磁歪効果によって、磁歪材料に巻かれているコイルを貫く磁束が変化することで当該コイルに誘導電圧を発生させるものが開示されている。
更に、特許文献3には、Fe−Dy−Tb系の成分組成よりなるアモルファスのFe−Dy−Tb系粉末を得た後、アモルファスのFe−Dy−Tb系粉末を固化することによって、Fe−Dy−Tb系の成分組成よりなるアモルファスの超磁歪素子を得る超磁歪素子の製造方法が開示されている。
As a conventional vibration power generation technology, a technology that uses a piezoelectric element (a technology that deforms a piezoelectric element to generate electricity by applying an external force to the piezoelectric element in some way) or a technology that uses a magnetostrictive element (magnetostrictive element) In addition, a power generation technique utilizing the inverse magnetostriction effect using a magnet or a coil is already known.
Examples of this type of vibration power generation device include those described in Patent Documents 1 to 3.
Patent Literature 1 describes a sound power generation device that uses a piezoelectric element to generate power by utilizing pressure fluctuations of air due to sound, and a vibration power generation device that uses pressure variation due to vibration to generate power using a piezoelectric element. .. This is a system in which vibration of a human voice is deformed by a piezoelectric ceramic to obtain electric power. Although μW level electric power for producing sound from a speaker can be obtained, mW level electric power required for IOT communication cannot be obtained.
Further, in Patent Document 2, as a vibration power generator using a magnetostrictive element, a magnetostrictive rod having a fixed magnetostrictive material has a cantilever structure, and bending stress is applied to the magnetostrictive rod to bend and deform the magnetostrictive material. It is disclosed that an inverse magnetostrictive effect changes a magnetic flux passing through a coil wound around a magnetostrictive material to generate an induced voltage in the coil.
Further, in Patent Document 3, after obtaining an amorphous Fe-Dy-Tb-based powder having an Fe-Dy-Tb-based component composition, and then solidifying the amorphous Fe-Dy-Tb-based powder, Fe- A method of manufacturing a giant magnetostrictive element for obtaining an amorphous giant magnetostrictive element having a Dy-Tb system component composition is disclosed.

特開2006−166694号公報(発明を実施するための最良の形態,図10)Japanese Unexamined Patent Publication No. 2006-166694 (best mode for carrying out the invention, FIG. 10) 特許第4905820号公報(発明を実施するための形態,図4A)Japanese Patent No. 4905820 (Mode for carrying out the invention, FIG. 4A) 特開平11−189853号公報(実施例,図1,図2)Japanese Patent Laid-Open No. 11-189853 (Example, FIGS. 1 and 2)

特許文献1に記載された圧電素子を利用した振動力発電装置は、圧電素子を構成する圧電材料が脆性材料であり、曲げや衝撃に対して弱い材料である。そのため、過度な負荷を加えることはできず、発電量を増加するために大きな曲げや衝撃を加えることが困難になるという問題点がある。また、圧電素子は低周波数でインピーダンスが高く、圧電素子より低いインピーダンスを有する負荷を接続した際に、負荷に発生する電圧が小さくなるため、発電により得られる電力が小さくなり、発電の効率が低いという問題点もある。
一方、特許文献2に記載されている磁歪材料を用いた発電素子は、磁歪材料は延性材料であり、圧電材料に比べて曲げや衝撃に強いため、大きな曲げや衝撃を加えることで発電量を増加することが可能である。また、発電素子のインピーダンスが圧電材料よりも低いことから、インピーダンスの低い負荷の接続による発電効率の低下が少なく、前述した圧電材料の問題点を解決することができる。
しかしながら、特許文献2に記載された振動発電装置は、磁歪棒に対してバイアス磁界を加えるための磁石を備え、振動しながら磁歪棒のバネ変形を発生させて発電するために振動源から大きな加振力を必要とし、その分、振動エネルギの吸収が悪くなってしまう懸念がある。また、磁歪棒を支持するフレーム(連結ヨーク)には鉄系などのフレームを用いているため、錆、金属疲労が生じ易く、またフレームと磁歪棒との接合に接着剤やハンダを用いているため長期信頼性に課題があった。
In the vibration force power generator using the piezoelectric element described in Patent Document 1, the piezoelectric material forming the piezoelectric element is a brittle material and is a material that is weak against bending and impact. Therefore, there is a problem that an excessive load cannot be applied, and it becomes difficult to apply a large bending or impact to increase the amount of power generation. Further, the piezoelectric element has a high impedance at a low frequency, and when a load having an impedance lower than that of the piezoelectric element is connected, the voltage generated in the load becomes small, so that the power generated by the power generation becomes small and the power generation efficiency is low. There is also a problem.
On the other hand, in the power generation element using the magnetostrictive material described in Patent Document 2, the magnetostrictive material is a ductile material and is more resistant to bending and impact than the piezoelectric material. Therefore, the amount of power generation can be increased by applying large bending or impact. It is possible to increase. Further, since the impedance of the power generation element is lower than that of the piezoelectric material, the power generation efficiency is less likely to decrease due to the connection of the load having low impedance, and the above-mentioned problems of the piezoelectric material can be solved.
However, the vibration power generation device described in Patent Document 2 includes a magnet for applying a bias magnetic field to the magnetostrictive rod, and generates a large amount of vibration from the vibration source in order to generate spring deformation of the magnetostrictive rod while vibrating. Vibration force is required, and there is a concern that the absorption of vibration energy will be worse. Further, since a frame such as an iron system is used for the frame (coupling yoke) that supports the magnetostrictive rod, rust and metal fatigue easily occur, and an adhesive or solder is used for joining the frame and the magnetostrictive rod. Therefore, there was a problem in long-term reliability.

更に、磁歪材料からなる磁歪棒を作製するには、磁歪材料からなる結晶はインゴット状になっていていることから、これを板状に加工して磁歪棒にする必要がある。このとき、インゴット状の結晶に対してスライス、放電加工、ワィヤソーなどで加工する手法が考えられるが、この種の加工法を採用したとすると、加工切しろが発生し、インゴット状の結晶の多くが廃棄され無駄になる虞れがある。また、結晶が脆く割れやすいため、加工費が非常に高価になる懸念もある。この加工費を含めた結晶代が高いためにこの種の加工法は一般的に採用しづらい状況になっている。
更にまた、結晶育成には、チョクラルスキー法(CZ法:Czochralski method,結晶引上げ法)、垂直ブリッジマン法(VB法:Vertical Bridgman method)又はフローティングゾーン法(Floating zone method,浮遊帯法))などが採用可能であるが、結晶育成に時間がかかり、これも結晶の製造コストを押し上げている要因である。また、特許文献3にあっては、磁歪素子を構成する磁歪材料であるFe−Dy−Tbは非常に硬く脆い材料で、薄板の加工が非常に難しい。また、希土類を使った材料は高価であり、加工で無駄な部位を出したくないという要請もある。
このような状況を踏まえ、磁歪材料が含まれる磁歪部品を製造するに当たって、品質の良い磁歪部品を製造する上で有効な製造方法が強く要望されている。
Further, in order to manufacture a magnetostrictive rod made of a magnetostrictive material, since the crystal made of the magnetostrictive material has an ingot shape, it is necessary to process this into a plate shape to form a magnetostrictive rod. At this time, it is conceivable to use a method such as slicing, electric discharge machining, and wire saw for ingot-shaped crystals, but if this kind of processing method is adopted, a machining cutting margin will occur and most of the ingot-shaped crystals will be produced. May be discarded and wasted. Further, since the crystal is brittle and easily cracked, there is a concern that the processing cost will be very high. This type of processing method is generally difficult to adopt because of the high crystal cost including the processing cost.
Furthermore, for crystal growth, the Czochralski method (CZ method: Czochralski method, crystal pulling method), the vertical Bridgman method (VB method: Vertical Bridgman method), or the floating zone method (Floating zone method) However, it takes time to grow the crystal, which is another factor that increases the manufacturing cost of the crystal. Further, in Patent Document 3, Fe-Dy-Tb, which is a magnetostrictive material forming a magnetostrictive element, is a very hard and brittle material, and it is very difficult to process a thin plate. Further, there is also a demand that a material using a rare earth is expensive and it is not necessary to leave a wasteful part in processing.
Under these circumstances, when manufacturing a magnetostrictive component containing a magnetostrictive material, there is a strong demand for a manufacturing method effective for manufacturing a high quality magnetostrictive component.

本発明が解決しようとする技術的課題は、磁歪定数が大きい磁歪部品の生産性を高めた振動発電デバイスの製造方法を提供することにある。 A technical problem to be solved by the present invention is to provide a method of manufacturing a vibration power generation device in which the productivity of a magnetostrictive component having a large magnetostriction constant is improved.

本発明の第1の技術的特徴は、振動源からの振動を受けて伝搬する被振動体と、前記被振動体の少なくとも一部に磁場を作用させる磁場作用手段と、前記被振動体のうち前記磁場作用手段による磁場の作用領域に設けられ、磁歪結晶材料を含む磁歪部品と、前記磁歪部品の周囲に巻かれ、前記磁歪部品の磁歪結晶材料の歪みに依存して電磁誘導するコイルと、を備えた振動発電デバイスを製造するに際し、前記磁歪部品は、粉末状の磁歪結晶材料を予め決められた前記磁歪部品形状の型に充填して成形する成型工程と、前記成型工程にて成形された前記磁歪結晶材料を含む磁歪成形体を放電プラズマ焼結にて磁歪焼結体とする放電プラズマ焼結工程と、を経て製造されることを特徴とする振動発電デバイスの製造方法である。 A first technical feature of the present invention is to provide a vibrating body that receives and propagates vibrations from a vibration source, a magnetic field acting unit that causes a magnetic field to act on at least a part of the vibrating body, and the vibrating body. Provided in the magnetic field acting area by the magnetic field acting means, a magnetostrictive component including a magnetostrictive crystal material, and a coil wound around the magnetostrictive component, and electromagnetic induction depending on the strain of the magnetostrictive crystal material of the magnetostrictive component, When manufacturing a vibration power generation device comprising, the magnetostrictive component, a molding step of filling a powder-shaped magnetostrictive crystal material into a mold of a predetermined magnetostrictive component shape, and molding, the molding step. And a discharge plasma sintering step in which a magnetostrictive molded body containing the magnetostrictive crystal material is formed into a magnetostrictive sintered body by discharge plasma sintering.

本発明の第2の技術的特徴は、第1の技術的特徴を備えた振動発電デバイスの製造方法において、前記磁歪結晶材料は、Fe−Ga又はFe−Coであることを特徴とする振動発電デバイスの製造方法である。
本発明の第3の技術的特徴は、第1又は第2の技術的特徴を備えた振動発電デバイスの製造方法において、
前記成型工程は、前記磁歪結晶材料以外に銅、アルミニウム、ホウ素、炭素のいずれかを添加したもので前記磁歪成形体を成形することを特徴とする振動発電デバイスの製造方法である。
本発明の第4の技術的特徴は、第1乃至第3のいずれかの技術的特徴を備えた振動発電デバイスの製造方法において、前記磁歪結晶材料は、平均粒子径が40乃至100nmに粉砕された粉末状であることを特徴とする振動発電デバイスの製造方法である。
本発明の第5の技術的特徴は、第1乃至第4のいずれかの技術的特徴を備えた振動発電デバイスの製造方法において、前記成型工程は、前記型に充填された前記磁歪結晶材料を20ないし100MPaで一方向から加圧することを特徴とする振動発電デバイスの製造方法である。
本発明の第6の技術的特徴は、第1乃至第5のいずれかの技術的特徴を備えた振動発電デバイスの製造方法において、前記放電プラズマ焼結工程は、焼結環境温度が800℃以上で前記磁歪結晶材料の熔解温度未満の温度に保持されていることを特徴とする振動発電デバイスの製造方法である。
本発明の第7の技術的特徴は、第1乃至第6のいずれかの技術的特徴を備えた振動発電デバイスの製造方法において、前記放電プラズマ焼結工程は、前記成型工程で使用した型を焼結用型として兼用して実施することを特徴とする振動発電デバイスの製造方法である。
本発明の第8の技術的特徴は、第1乃至第7のいずれかの技術的特徴を備えた振動発電デバイスの製造方法において、前記磁歪焼結体は多結晶体であることを特徴とする振動発電デバイスの製造方法である。
A second technical feature of the present invention is the method for manufacturing an oscillating power generation device having the first technical feature, wherein the magnetostrictive crystal material is Fe-Ga or Fe-Co. This is a device manufacturing method.
A third technical feature of the present invention is a method of manufacturing a vibration power generation device having the first or second technical feature,
The molding step is a method of manufacturing a vibration power generation device, characterized in that the magnetostrictive molded body is molded by adding any one of copper, aluminum, boron, and carbon in addition to the magnetostrictive crystal material.
A fourth technical feature of the present invention is the method for manufacturing a vibration power generation device having any of the first to third technical features, wherein the magnetostrictive crystal material is pulverized to have an average particle diameter of 40 to 100 nm. In addition, the present invention provides a method of manufacturing a vibration power generation device, which is characterized in that it is in powder form.
A fifth technical feature of the present invention is the method for manufacturing an oscillating power generation device having any one of the first to fourth technical features, wherein the molding step is performed on the magnetostrictive crystal material filled in the mold. A method of manufacturing a vibration power generation device, characterized in that pressure is applied in one direction at 20 to 100 MPa.
A sixth technical feature of the present invention is the method for manufacturing a vibration power generation device having any one of the first to fifth technical features, wherein the spark plasma sintering step has a sintering environmental temperature of 800° C. or higher. And a temperature lower than the melting temperature of the magnetostrictive crystal material is maintained.
A seventh technical feature of the present invention is the method for manufacturing a vibration power generation device having any one of the first to sixth technical features, wherein in the discharge plasma sintering step, the mold used in the molding step is used. It is a method for manufacturing a vibration power generation device, which is also used as a sintering mold.
An eighth technical feature of the present invention is a method for manufacturing a vibration power generation device having any one of the first to seventh technical features, wherein the magnetostrictive sintered body is a polycrystalline body. It is a manufacturing method of a vibration power generation device.

本発明の第9の技術的特徴は、振動発電デバイスに用いられる磁歪部品を製造するに際し、粉末状の磁歪結晶材料を予め決められた前記磁歪部品形状の型に充填して成形する成型工程と、前記成型工程にて成形された前記磁歪結晶材料を含む磁歪成形体を放電プラズマ焼結にて磁歪焼結体とする放電プラズマ焼結工程と、を経て製造されることを特徴とする磁歪部品の製造方法である。 A ninth technical feature of the present invention is, in manufacturing a magnetostrictive component used for a vibration power generation device, a molding step of filling a powdery magnetostrictive crystal material into a predetermined mold of the magnetostrictive component shape, and molding. And a discharge plasma sintering step of forming a magnetostrictive molded body containing the magnetostrictive crystal material molded in the molding step into a magnetostrictive sintered body by discharge plasma sintering, the magnetostrictive component being manufactured. Is a manufacturing method.

本発明の第1の技術的特徴によれば、磁歪定数の大きい磁歪部品の生産性を高めた振動発電デバイスを提供することができる。
本発明の第2の技術的特徴によれば、磁歪定数が高く、安価で加工性の良い磁歪部品を含む振動発電デバイスを提供することができる。
本発明の第3の技術的特徴によれば、磁歪結晶材料以外の添加物を含まない場合に比べて、磁歪特性を向上させた磁歪部品を提供することができる。
本発明の第4の技術的特徴によれば、平均粒子径が100nmを超える磁歪結晶材料を用いた場合に比べて、焼結密度の高い磁歪部品を含む振動発電デバイスを提供することができる。
本発明の第5の技術的特徴によれば、成形工程で無加圧にて成形する場合に比べて、磁歪結晶材料の充填密度をより高めることが可能な磁歪部品を含む振動発電デバイスを提供することができる。
本発明の第6の技術的特徴によれば、磁歪結晶材料の結晶性を向上させた磁歪焼結体からなる磁歪部品を含む振動発電デバイスを提供することができる。
本発明の第7の技術的特徴によれば、振動発電デバイスの磁歪部品を製造するに当たり、成型工程と放電プラズマ焼結工程とで使用する型を共用することができる。
本発明の第8の技術的特徴によれば、磁歪結晶材料の結晶性を維持し、安価で背手増性の高い磁歪焼結体からなる磁性部品を含む振動発電デバイスを提供することができる。
本発明の第9の技術的特徴によれば、磁歪定数の大きい磁歪部品の生産性を高めることができる。
According to the first technical feature of the present invention, it is possible to provide a vibration power generation device with improved productivity of a magnetostrictive component having a large magnetostriction constant.
According to the second technical feature of the present invention, it is possible to provide a vibration power generation device including a magnetostrictive component which has a high magnetostriction constant, is inexpensive, and has good workability.
According to the third technical feature of the present invention, it is possible to provide a magnetostrictive component having improved magnetostrictive characteristics as compared with the case where no additive other than the magnetostrictive crystal material is contained.
According to the fourth technical feature of the present invention, it is possible to provide a vibration power generation device including a magnetostrictive component having a high sintering density as compared with the case of using a magnetostrictive crystal material having an average particle diameter of more than 100 nm.
According to a fifth technical feature of the present invention, there is provided a vibration power generation device including a magnetostrictive component capable of further increasing a packing density of a magnetostrictive crystal material, as compared with a case of molding without pressure in a molding process. can do.
According to the sixth technical feature of the present invention, it is possible to provide a vibration power generation device including a magnetostrictive component made of a magnetostrictive sintered body in which the crystallinity of a magnetostrictive crystal material is improved.
According to the seventh technical feature of the present invention, in manufacturing the magnetostrictive component of the vibration power generation device, the mold used in the molding step and the spark plasma sintering step can be shared.
According to the eighth technical feature of the present invention, it is possible to provide a vibration power generation device that maintains the crystallinity of a magnetostrictive crystal material and that includes a magnetic component made of a magnetostrictive sintered body that is inexpensive and highly prone to increase in productivity. ..
According to the ninth technical feature of the present invention, the productivity of the magnetostrictive component having a large magnetostriction constant can be improved.

(a)は本発明が適用された振動発電デバイスの実施の形態の概要を示す説明図、(b)は(a)に示す振動発電デバイスで用いられる磁歪部品の構造例を示す説明図、(c)は本実施の形態で用いられる磁歪部品の製造方法を示す説明図である。(A) is an explanatory view showing an outline of an embodiment of a vibration power generation device to which the present invention is applied, (b) is an explanatory view showing a structural example of a magnetostrictive component used in the vibration power generation device shown in (a), FIG. 3C is an explanatory diagram showing a method for manufacturing a magnetostrictive component used in this embodiment. (a)は実施の形態1に係る振動発電デバイスの構成例を示す説明図、(b)は(a)で用いられる磁歪部品の構成例及び支持フレームへの取付例を示す説明図である。(A) is explanatory drawing which shows the structural example of the vibration power generation device which concerns on Embodiment 1, (b) is explanatory drawing which shows the structural example of the magnetostrictive component used by (a), and the example of attachment to a support frame. (a)〜(c)は実施の形態1で用いられる磁歪部品の製造方法を説明する説明図であって、(a)は粉末状の磁歪結晶材料を型成形して磁歪成形体とする成型例、(b)は(a)の成型工程で使用される成形型の一例、(c)は磁歪成形体を放電プラズマ焼結にて磁歪焼結体とする放電プラズマ焼結工程を実施する放電プラズマ焼結装置の一例を夫々示す説明図である。(A)-(c) is explanatory drawing explaining the manufacturing method of the magnetostrictive component used by Embodiment 1, (a) is a shaping|molding which shape|molds a powdery magnetostrictive crystal material into a magnetostrictive compact. For example, (b) is an example of a molding die used in the molding step of (a), (c) is a discharge for performing a discharge plasma sintering step of forming a magnetostrictive molded body into a magnetostrictive sintered body by spark plasma sintering. It is explanatory drawing which shows an example of a plasma sintering apparatus, respectively. 実施の形態2に係る振動発電デバイスの構成例を示す説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram showing a configuration example of a vibration power generation device according to a second embodiment. 実施の形態3に係る振動発電デバイスの構成例を示す説明図、(b)は支持フレームへの磁歪部品の取付例を示す説明図である。FIG. 9 is an explanatory diagram showing a configuration example of a vibration power generation device according to a third embodiment, and FIG. 9B is an explanatory diagram showing an example of mounting a magnetostrictive component on a support frame. (a)は実施の形態4に係る振動発電デバイスの構成例を示す説明図、(b)は実施の形態4に係る振動発電デバイスの変形の形態4−1の要部を示す説明図である。(A) is explanatory drawing which shows the structural example of the vibration power generation device which concerns on Embodiment 4, (b) is explanatory drawing which shows the principal part of the modification 4-1 of the vibration power generation device which concerns on Embodiment 4. FIG. ..

◎実施の形態の概要
図1(a)は本発明が適用された振動発電デバイスの構成例を示す。
同図において、振動発電デバイス1は、振動源3からの振動を受けて伝搬する被振動体2と、被振動体2の少なくとも一部に磁場を作用させる磁場作用手段4と、被振動体2のうち磁場作用手段4による磁場の作用領域に設けられ、磁歪材料を含む磁歪部品5と、磁歪部品5の周囲に巻かれ、磁歪部品5の磁歪材料の歪みに依存して電磁誘導するコイル6と、を備えたものである。
この種の振動発電デバイス1を製造するに際し、磁歪部品5は、図1(b)(c)に示すように、粉末状の磁歪結晶材料M1を予め決められた磁歪部品形状の型(成形型12)に充填して成形する成型工程11と、成型工程11にて成形された磁歪結晶材料を含む磁歪成形体13を放電プラズマ焼結(SPS)にて磁歪焼結体16とする放電プラズマ焼結工程14と、経て製造されるものである。尚、図1(c)中、符号15は放電プラズマSPを生成して磁歪成形体13を焼結させる放電プラズマ焼結装置である。
◎Outline of Embodiment FIG. 1A shows a configuration example of a vibration power generation device to which the present invention is applied.
In the figure, the vibration power generation device 1 includes a vibrated body 2 that receives and propagates vibrations from a vibration source 3, a magnetic field acting unit 4 that applies a magnetic field to at least a part of the vibrated body 2, and a vibrated body 2. Among them, a magnetostrictive component 5 including a magnetostrictive material is provided in a magnetic field acting area by the magnetic field acting means 4, and a coil 6 wound around the magnetostrictive component 5 and electromagnetically induced depending on the strain of the magnetostrictive material of the magnetostrictive component 5. And,.
When manufacturing this type of vibration power generation device 1, as shown in FIGS. 1B and 1C, the magnetostrictive component 5 is formed by molding a powdery magnetostrictive crystal material M1 into a predetermined magnetostrictive component shape mold (molding die). 12) Filling and molding in 12), and discharge plasma firing to make the magnetostrictive molded body 13 containing the magnetostrictive crystal material molded in the molding step 11 into a magnetostrictive sintered body 16 by spark plasma sintering (SPS). It is manufactured through the bonding step 14. In FIG. 1(c), reference numeral 15 is a discharge plasma sintering apparatus for generating discharge plasma SP and sintering the magnetostrictive molded body 13.

このような技術的手段において、被振動体2としては振動を受けて伝搬するものであれば特に材質は問わない。また、磁場作用手段4としては、代表的には永久磁石が挙げられるが、被振動体2に対して磁場を作用させるものを広く含む。更に、磁歪部品5は、図1(b)に示すように、少なくとも磁歪結晶材料M1を含んでいればよく、磁歪結晶材料M1以外の材料(銅、アルミニウム等)からなる添加材料M2を添加する態様をも含む。ここでいう「磁歪結晶材料M1」は結晶性を有する磁歪材料を意味する。
尚、被振動体2の共振周波数を調整するために錘やバネ材による付勢力を付加するようにすることが好ましい。
また、磁歪部品5の製法は、放電プラズマ焼結法を採用するに当たって、粉末状の磁歪結晶材料M1を所定の形状に成形することが必要であることから、成型工程を経て放電プラズマ焼結工程を実施することを要する。
本例では、成型工程は、加圧成形が代表的であるが、無加圧も含む。また、放電プラズマ焼結法(SPS:Spark Plasma Sintering)の使用条件については焼結対象である磁歪結晶材料M1及び添加材料M2を考慮して適宜選定することが必要である。
In such a technical means, the vibrating body 2 may be made of any material as long as it can receive and propagate vibration. As the magnetic field acting means 4, a permanent magnet is typically mentioned, but a wide range of means for applying a magnetic field to the vibrated body 2 is included. Further, as shown in FIG. 1B, the magnetostrictive component 5 only needs to include at least the magnetostrictive crystal material M1, and the additive material M2 made of a material other than the magnetostrictive crystal material M1 (copper, aluminum, etc.) is added. Aspect is also included. The “magnetostrictive crystal material M1” here means a magnetostrictive material having crystallinity.
In addition, it is preferable to add a biasing force by a weight or a spring material in order to adjust the resonance frequency of the vibrated body 2.
Further, in the manufacturing method of the magnetostrictive component 5, when the discharge plasma sintering method is adopted, it is necessary to mold the powdery magnetostrictive crystal material M1 into a predetermined shape. Therefore, the discharge plasma sintering step is performed through the molding step. It is necessary to carry out.
In this example, the molding process is typically pressure molding, but includes no pressure. Further, it is necessary to appropriately select the usage conditions of the spark plasma sintering (SPS: Spark Plasma Sintering) in consideration of the magnetostrictive crystal material M1 and the additive material M2 to be sintered.

次に、本実施の形態に係る振動発電デバイスの製造方法の代表的態様又は好ましい態様について説明する。
先ず、磁歪結晶材料M1の好ましい例としては、Fe−Ga又はFe−Coが挙げられる。本例は、磁歪結晶材料M1のうち高い磁歪定数を持つものを例示したものである。
また、成形工程11の好ましい態様としては、磁歪結晶材料M1以外に添加材料M2として銅、アルミニウム、ホウ素、炭素のいずれかを添加したもので磁歪成形体13を成形する態様が挙げられる。本例は、磁性結晶材料M1以外に磁歪特性が向上する材料(Cu,Al,B,C)を微量添加する態様である。ここでいう磁歪特性が向上するとは磁歪定数が大きくなることを意味する。
更に、磁歪結晶材料M1の好ましい例としては、平均粒子径が40乃至100nmに粉砕された粉末状である態様が挙げられる。本例では、100nm以下であることは焼結密度を高める上で好ましいが、40nm未満にするには粉砕コストが高くなる懸念がある。
また、成形工程11の好ましい態様としては、成形型12に充填された磁歪結晶材料M1を20ないし100MPaで一方向から加圧する態様が挙げられる。本例では、20MPa以上であると、磁歪結晶材料M1の充填密度(又は焼結密度)を十分に高めることが可能であるが、100MPaを超えると、磁歪成形体13の体積が不必要に減少する懸念がある。
Next, a representative aspect or a preferable aspect of the method for manufacturing the vibration power generation device according to the present embodiment will be described.
First, as a preferable example of the magnetostrictive crystal material M1, Fe-Ga or Fe-Co can be cited. This example illustrates a material having a high magnetostriction constant among the magnetostrictive crystal materials M1.
In addition, as a preferable mode of the molding step 11, a mode in which the magnetostrictive molded body 13 is molded by adding any one of copper, aluminum, boron, and carbon as the additive material M2 in addition to the magnetostrictive crystal material M1. This example is an embodiment in which a small amount of a material (Cu, Al, B, C) having an improved magnetostriction characteristic is added in addition to the magnetic crystal material M1. Improving the magnetostrictive property here means increasing the magnetostriction constant.
Furthermore, as a preferable example of the magnetostrictive crystal material M1, there is an aspect in which the magnetostrictive crystal material M1 is in the form of powder pulverized to have an average particle diameter of 40 to 100 nm. In this example, 100 nm or less is preferable for increasing the sintering density, but if it is less than 40 nm, the crushing cost may increase.
Further, as a preferable mode of the molding step 11, there is a mode in which the magnetostrictive crystal material M1 filled in the molding die 12 is pressed from 20 to 100 MPa from one direction. In this example, if it is 20 MPa or more, the packing density (or sintering density) of the magnetostrictive crystal material M1 can be sufficiently increased, but if it exceeds 100 MPa, the volume of the magnetostrictive molded body 13 is unnecessarily reduced. I have a concern.

また、放電プラズマ焼結工程14の好ましい態様としては、焼結環境温度が800℃以上で磁歪結晶材料M1の熔解温度未満の温度に保持されている態様が挙げられる。本例は、磁歪結晶材料M1の結晶性を向上させる上で好ましい温度条件を示す。
更に、放電プラズマ焼結工程14の別の好ましい態様としては、成型工程11で使用した成形型12を焼結用型として兼用して実施する態様が挙げられる。本例は、放電プラズマ焼結工程14において成型工程11で使用した型を利用する態様である。
更にまた、磁歪焼結体16の好ましい態様としては、多結晶体である態様が挙げられる。単結晶は製造コストが高価になるが、本例は磁歪焼結体16を多結晶体とすることで、単結晶よりも製造コストを抑え、単結晶よりは少し低いものの、磁歪結晶材料M1の配向が結晶性に優れたものとして得られる。
Further, as a preferable mode of the spark plasma sintering step 14, a mode in which the sintering environment temperature is kept at 800° C. or higher and lower than the melting temperature of the magnetostrictive crystal material M1 can be mentioned. This example shows preferable temperature conditions for improving the crystallinity of the magnetostrictive crystal material M1.
Further, as another preferable aspect of the spark plasma sintering step 14, there is an aspect in which the forming die 12 used in the forming step 11 is also used as a sintering die. In this example, the mold used in the molding step 11 is used in the spark plasma sintering step 14.
Furthermore, as a preferable aspect of the magnetostrictive sintered body 16, an aspect in which it is a polycrystalline body can be mentioned. Although the manufacturing cost of the single crystal is high, in this example, the magnetostrictive sintered body 16 is made of a polycrystal, which suppresses the manufacturing cost of the single crystal and is slightly lower than that of the single crystal. The orientation is obtained as having excellent crystallinity.

また、本実施の形態では、振動発電デバイス1の製造方法として説明されているが、振動発電デバイス1に用いられる磁歪部品5の製造方法としても捉えることが可能である。
具体的には、振動発電デバイス1に用いられる磁歪部品5を製造するに際し、粉末状の磁歪結晶材料M1を予め決められた磁歪部品形状の成形型12に充填して成形する成型工程11と、成型工程11にて成形された磁歪結晶材料M1を含む磁歪成形体13を放電プラズマ焼結にて磁歪焼結体16とする放電プラズマ焼結工程14と、を経て製造されるようになっていればよい。
本例は、磁歪部品5単体の取引性を考慮し、振動発電デバイス1に組み込まれる前段階、つまり、磁歪部品5の製造段階、製造された磁歪部品にも権利の効力を及ぼす上で有効である。
Further, in the present embodiment, the method of manufacturing the vibration power generation device 1 has been described, but it can be understood as a method of manufacturing the magnetostrictive component 5 used in the vibration power generation device 1.
Specifically, when manufacturing the magnetostrictive component 5 used in the vibration power generation device 1, a molding step 11 in which the powdery magnetostrictive crystal material M1 is filled into a molding die 12 having a predetermined magnetostrictive component shape and molded. It is manufactured through a discharge plasma sintering step 14 in which a magnetostrictive molded body 13 containing the magnetostrictive crystal material M1 molded in the molding step 11 is converted into a magnetostrictive sintered body 16 by discharge plasma sintering. Good.
This example is effective in consideration of the tradeability of the magnetostrictive component 5 alone, in the stage before being incorporated into the vibration power generation device 1, that is, in the manufacturing stage of the magnetostrictive component 5, and in exerting the effect of the right on the manufactured magnetostrictive component. is there.

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいて本発明をより詳細に説明する。
◎実施の形態1
図2(a)は実施の形態1に係る振動発電デバイスの全体構成を示す説明図である。
−振動発電デバイスの全体構成−
同図において、振動発電デバイス1は、振動源3からの振動を受けて伝搬する被振動体としての支持フレーム20と、支持フレーム20の少なくとも一部に磁場を作用させる磁場作用手段としての磁石30と、支持フレーム20のうち磁石30による磁場の作用領域に設けられ、磁歪材料を含む磁歪部品5と、磁歪部品5の周囲に巻かれ、磁歪部品5の磁歪材料の歪みに依存して電磁誘導するコイル6と、を備えたものである。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on the embodiments shown in the accompanying drawings.
◎ Embodiment 1
FIG. 2A is an explanatory diagram showing the overall configuration of the vibration power generation device according to the first embodiment.
− Overall configuration of vibration power generation device −
In the figure, a vibration power generation device 1 includes a support frame 20 as a vibrating body that receives and propagates vibrations from a vibration source 3, and a magnet 30 as a magnetic field acting means that applies a magnetic field to at least a part of the support frame 20. And the magnetostrictive component 5 including the magnetostrictive material, which is provided in the region of the support frame 20 where the magnetic field is applied by the magnet 30, and is wound around the magnetostrictive component 5, and the electromagnetic induction depends on the strain of the magnetostrictive material of the magnetostrictive component 5. And a coil 6 to operate.

<支持フレーム>
本例において、支持フレーム20は、断面略U字状のSUS等の磁性材からなる弾性板材21からなり、弾性板材21のうち一方の腕部22を固定部20Aとして図示外の設置箇所に固定すると共に、一方の腕部22から湾曲部24を介して延びる他方の腕部23を振動可能な可動部20Bとして機能させるようにしたものである。そして、本例では、可動部20Bである他方の腕部23は固定部である一方の腕部22に比べて湾曲部24とは反対側に延長部25を有しており、この延長部25の先端に振動源3からの振動が付与される位置関係になっている。
<Support frame>
In this example, the support frame 20 is composed of an elastic plate member 21 made of a magnetic material such as SUS having a substantially U-shaped cross section, and one arm part 22 of the elastic plate member 21 is fixed as a fixing part 20A to an installation location (not shown). In addition, the other arm portion 23 extending from the one arm portion 22 via the bending portion 24 is made to function as the movable portion 20B capable of vibrating. Further, in this example, the other arm portion 23 that is the movable portion 20B has the extension portion 25 on the side opposite to the bending portion 24 as compared with the one arm portion 22 that is the fixed portion. There is a positional relationship in which the vibration from the vibration source 3 is applied to the tip of the.

<磁石>
また、本例では、支持フレーム20の一方の腕部22上には磁石30が設置されており、当該磁石30は上下に磁極N,Sを有する永久磁石(例えばネオジム磁石)からなり、支持フレーム20の他方の腕部23のうち磁石30の略直上に位置する部分から湾曲部24を介して一方の腕部22には、磁石30による磁場Gの作用領域が形成されるようになっている。
<磁歪部品>
更に、本例では、後述する製造方法にて製造された細長い矩形板状の磁歪部品5が支持フレーム20の他方の腕部23のうち磁石30による磁場G作用領域に設置されている。特に、本例では、図2(a)(b)に示すように、他方の腕部23には磁歪部品5が収容可能な凹部40が形成されており、この凹部40には磁歪部品5の長手方向両端部を支持する段差部41が形成され、この段差部41上に磁歪部品5が固定的に設置されるようになっている。
<コイル>
また、本例では、コイル6は磁歪部品5の周囲に均等に巻かれており、磁歪部品5に巻かれたコイル6の一部が凹部40内に磁歪部品5と共に収容され、コイル6の一部は凹部40外に配置されるようになっている。
<Magnet>
Further, in this example, the magnet 30 is installed on the one arm portion 22 of the support frame 20, and the magnet 30 is a permanent magnet (for example, a neodymium magnet) having upper and lower magnetic poles N and S. An action region of the magnetic field G by the magnet 30 is formed in a portion of the other arm portion 23 of the armature 20 which is located almost directly above the magnet 30 in the one arm portion 22 via the curved portion 24. ..
<magnetostrictive parts>
Further, in this example, the elongated rectangular plate-shaped magnetostrictive component 5 manufactured by the manufacturing method described later is installed in the magnetic field G acting region of the other arm 23 of the support frame 20 by the magnet 30. In particular, in this example, as shown in FIGS. 2A and 2B, the other arm 23 is provided with a recess 40 capable of accommodating the magnetostrictive component 5, and the recess 40 is provided with a recess 40 of the magnetostrictive component 5. A step portion 41 that supports both end portions in the longitudinal direction is formed, and the magnetostrictive component 5 is fixedly installed on the step portion 41.
<coil>
In addition, in this example, the coil 6 is evenly wound around the magnetostrictive component 5, and a part of the coil 6 wound around the magnetostrictive component 5 is accommodated in the recess 40 together with the magnetostrictive component 5, and the coil 6 The part is arranged outside the recess 40.

<錘>
更に、本例では、支持フレーム20の他方の腕部23の延長部25には共振周波数調整用の錘50が設置されている。錘は例えば磁石を使用するようにすれば自身の磁力で固定されるし、別途ねじ等の止め具にて固定するようにすればよい。更に、この錘50のウエイトは適宜調整可能で、また、錘50の設置位置も必要に応じて可変設定するようにしてもよい。
<発電取り出し構造>
また、本例では、支持フレーム20の他方の腕部23のうちコイル6の近傍には電極60が設けられ、コイル6の両端からの配線61が電極60を介し外部に引き出され、磁歪部品5の磁歪材料の歪みに依存して電磁誘導するコイル6からの交流誘導電圧が整流後に予め決められたレベルに昇圧される整流昇圧回路62に接続され、整流昇圧回路62から所定レベルの発電出力Eが得られるようになっている。
<weight>
Further, in this example, a resonance frequency adjusting weight 50 is provided on the extension portion 25 of the other arm portion 23 of the support frame 20. The weight may be fixed by its own magnetic force by using a magnet, for example, or may be fixed by a separate fastener such as a screw. Further, the weight of the weight 50 can be appropriately adjusted, and the installation position of the weight 50 may be variably set as necessary.
<Power generation take-out structure>
Further, in the present example, the electrode 60 is provided in the vicinity of the coil 6 in the other arm portion 23 of the support frame 20, the wiring 61 from both ends of the coil 6 is drawn to the outside via the electrode 60, and the magnetostrictive component 5 is formed. The AC induction voltage from the coil 6 which electromagnetically induces depending on the strain of the magnetostrictive material is connected to a rectification booster circuit 62 which is boosted to a predetermined level after rectification, and the rectification booster circuit 62 outputs a power generation output E of a predetermined level. Is obtained.

−磁歪部品の製造方法−
本例において、磁歪部品5は以下の製造方法によって製造される。
本例の磁歪部品5の材料としては、図2(b)に示すように、磁歪結晶材料M1と磁歪結晶材料M1以外の添加材料M2との混合材料が用いられる。
<磁歪結晶材料>
本例においては、磁歪結晶材料M1としては、高い磁歪定数を持つFe−Ga又はFe−Coが用いられる。ここで、Fe−Gaより磁歪定数が高い材料にFe−Dy、Fe−Tb、Fe−Dy−Tbがある。しかしこれ硬くもろいため、また希土類を多く(40%レベル)を含むため高価な材料になる。この点、Fe−Ga、Fe−CoはFeが80%程度含み加工性がよく安価になる可能性がある。
また、これらの磁歪結晶材料M1についてはこれを粉末状に粉砕する必要があるが、本例で用いる粉体の粒径は小さいほど焼結密度は上がることとコストとの兼ね合いで、ミクロン粉に粉砕した後にミクロン粉を再度、粉砕してナノ粉にしてバインダレスで焼結することにしたものである。一例としては、Fe-Ga又はFe−Coの合金を粉末状に作製するには、2〜3μmの粉体をボールミルで平均粒子径40〜100nmに粉砕した粉体からなる粉末状材料を用いるようにすればよい。
また、合金成分に銅、アルミなどを微量添加すると磁歪特性が向上する。
<添加材料>
添加材料M2としては、磁歪結晶材料M1による磁歪特性が上がる上で有用な材料が用いられ、磁性結晶材料M1と同様に粉末状に粉砕されて使用される。
具体的には銅(Cu)、アルミニウム(Al)、ホウ素(B)、炭素(C)等があり、その含有割合は材料によって異なり、例えばAlは4〜7at%(原子パーセント)、Bは1.6at%前後、Cは1.4at%前後である。
-Manufacturing method of magnetostrictive component-
In this example, the magnetostrictive component 5 is manufactured by the following manufacturing method.
As the material of the magnetostrictive component 5 of this example, as shown in FIG. 2B, a mixed material of the magnetostrictive crystal material M1 and the additive material M2 other than the magnetostrictive crystal material M1 is used.
<Magnetic strain crystal material>
In this example, Fe-Ga or Fe-Co having a high magnetostriction constant is used as the magnetostrictive crystal material M1. Here, Fe-Dy, Fe-Tb, and Fe-Dy-Tb are materials having a higher magnetostriction constant than Fe-Ga. However, since it is hard and brittle, and contains a large amount of rare earth (40% level), it becomes an expensive material. In this respect, Fe-Ga and Fe-Co contain about 80% of Fe and have good workability and may be inexpensive.
Further, regarding these magnetostrictive crystal materials M1, it is necessary to pulverize them into a powder form. However, the smaller the particle size of the powder used in this example, the higher the sintering density and the cost. After crushing, the micron powder is crushed again into nano powder and sintered without binder. As an example, in order to produce an Fe-Ga or Fe-Co alloy in a powder form, a powder-like material made of powder obtained by pulverizing a powder having a particle diameter of 2 to 3 μm with a ball mill to an average particle diameter of 40 to 100 nm is used. You can do this.
Further, if a trace amount of copper, aluminum, etc. is added to the alloy component, the magnetostrictive characteristic is improved.
<Additive material>
As the additive material M2, a material useful for improving the magnetostrictive characteristics of the magnetostrictive crystal material M1 is used, and is pulverized into powder like the magnetic crystal material M1 for use.
Specifically, there are copper (Cu), aluminum (Al), boron (B), carbon (C), and the like, and the content ratios thereof vary depending on the material. For example, Al is 4 to 7 at% (atomic percent) and B is 1 Around 6 at% and C is around 1.4 at %.

<成型工程>
本工程は、粉末状の磁歪結晶材料M1(本例では所定の添加材料M2を含有)を予め決められた磁歪部品5形状の成形型12に充填して成形するものである。
本例では、磁歪部品5は支持フレーム20に搭載可能な板状の形状を有していることから、成形型12は、図3(a)(b)に示すように、複数の磁歪部品5を同時に製造できるように、複数個(本例では2×7個の配列)の短冊状の凹所12aを有し、当該凹所12a内に粉末状の磁歪結晶材料M1を充填するようにすればよい。
そして、この成形型12は凹所12a内の磁歪結晶材料M1を覆い型12bで覆い、無加圧若しくは所定の加圧力(20MPa〜100MPa)で加圧する。ここで、20MPa以上であれば、磁歪結晶材料M1の充填密度を十分に高めることができ、加圧力が大きくなればなる程その充填密度は高くなる点で好ましい。但し、100MPaを超える加圧力で加圧することは勿論可能であるが、成形後の磁歪成形体の体積が不必要に減少する懸念がある。
ここで、成型型12の材質はグラファイト、ダイス型、超硬型、セラミックを使ようにすればよく、20〜100MPa程度の一方向の加圧力に耐えられる強度を有するものであればよい。
<Molding process>
In this step, the powdery magnetostrictive crystal material M1 (containing a predetermined additive material M2 in this example) is filled in a predetermined mold 12 of the magnetostrictive component 5 for molding.
In this example, since the magnetostrictive component 5 has a plate-like shape that can be mounted on the support frame 20, the molding die 12 has a plurality of magnetostrictive components 5 as shown in FIGS. So as to be manufactured at the same time, a plurality of (in this example, an array of 2×7) rectangular recesses 12a are provided, and the powdery magnetostrictive crystal material M1 is filled in the recesses 12a. Good.
Then, the molding die 12 covers the magnetostrictive crystal material M1 in the recess 12a with a covering die 12b, and pressurizes it with no pressure or with a predetermined pressure (20 MPa to 100 MPa). Here, if it is 20 MPa or more, the packing density of the magnetostrictive crystal material M1 can be sufficiently increased, and the larger the pressing force is, the higher the packing density becomes, which is preferable. However, it is of course possible to pressurize with a pressing force exceeding 100 MPa, but there is a concern that the volume of the magnetostrictive molded body after molding will be unnecessarily reduced.
Here, the molding die 12 may be made of graphite, a die type, a superhard type, or a ceramic, as long as it has a strength capable of withstanding a unidirectional pressing force of about 20 to 100 MPa.

<放電プラズマ焼結工程>
放電プラズマ焼結工程は、図3(c)に示す放電プラズマ焼結装置15を用いて実施される。
本例において、放電プラズマ焼結装置15は、成形工程で使用した成形型12をそのまま焼結用型として用い、真空チャンバ150内の上下に電極加圧軸151,152を配置し、この電極加圧軸151,152にはDCパルス焼結電源153を接続すると共に、各電極加圧軸151,152間にはパンチ154,155を介して成形型(焼結用型を兼用)12を挟み込み、更に、パンチ154,155及び成形型12をダイ156で側方から押さえ込むようにしたものである。
尚、ダイ156には例えば熱電対からなる温度センサ157が設けられ、磁歪結晶材料M1に対する放電プラズマ焼結温度を検出するようになっており、この温度センサ157にて検出された温度情報はコントローラ158に入力され、コントローラ158は温度センサ157からの温度情報に基づいてDCパルス焼結電源153の出力を制御するようになっている。
<Discharge plasma sintering process>
The spark plasma sintering process is performed using the spark plasma sintering device 15 shown in FIG.
In this example, the discharge plasma sintering apparatus 15 uses the forming die 12 used in the forming process as it is as a sintering die, and arranges electrode pressing shafts 151 and 152 above and below in a vacuum chamber 150, respectively. A DC pulse sintering power source 153 is connected to the pressure shafts 151 and 152, and a molding die (also serving as a sintering die) 12 is sandwiched between the electrode pressure shafts 151 and 152 via punches 154 and 155. Further, the punches 154, 155 and the molding die 12 are pressed by a die 156 from the side.
A temperature sensor 157 including, for example, a thermocouple is provided in the die 156 to detect the discharge plasma sintering temperature for the magnetostrictive crystal material M1. The temperature information detected by the temperature sensor 157 is a controller. The controller 158 controls the output of the DC pulse sintering power source 153 based on the temperature information from the temperature sensor 157.

放電プラズマ焼結装置15は放電プラズマ焼結SPS(Spark Plasma Sintering)を具現化する装置であり、放電プラズマ焼結法SPSの特徴点として以下のものがある。
・迅速な焼結が可能である(従来のHIP(Hot Isostatic Pressing)やホットプレス法に比べ焼結時間が1/20〜1/100)。
・微細組織構造を制御焼結できる。
・粒成長抑制が容易でナノ粉末をナノ構造で固化できる。
・温度傾斜焼結が可能、固相焼結が可能である。
・焼結助剤なしでSiC、WCなどの高温セラミックスの高密度焼結が可能、低温焼結が可能である。
・アモルファス材やキューリー点以下での焼結が可能である。
・ガス、電磁場での反応焼結が可能である。
The spark plasma sintering device 15 is a device that embodies spark plasma sintering SPS (Spark Plasma Sintering), and has the following features as the features of the spark plasma sintering method SPS.
• Rapid sintering is possible (sintering time is 1/20 to 1/100 compared to conventional HIP (Hot Isostatic Pressing) and hot pressing methods).
・Controlled sintering of fine structure is possible.
-Easy to control grain growth and solidify nano powder with nano structure.
-Temperature gradient sintering is possible and solid phase sintering is possible.
-High-temperature sintering of high-temperature ceramics such as SiC and WC is possible without sintering aid, and low-temperature sintering is possible.
・Amorphous materials and sintering below the Curie point are possible.
・Reactive sintering in gas or electromagnetic field is possible.

<放電プラズマ焼結装置による成型工程の実施>
特に、本例においては、放電プラズマ焼結装置15は放電プラズマ焼結する前に成形型12を加圧するステップを踏むことから、前述した成型工程は放電プラズマ焼結装置15に成形型12をセットした段階で実施されるようになっている。
尚、放電プラズマ焼結装置15による成型工程とは別に成型工程を実施するようにしてもよいことは勿論である。
<Implementation of molding process using spark plasma sintering equipment>
Particularly, in the present example, the discharge plasma sintering apparatus 15 takes a step of pressurizing the molding die 12 before performing the discharge plasma sintering, so that the above-described molding process sets the molding die 12 in the discharge plasma sintering apparatus 15. It will be carried out at the stage where it was done.
Incidentally, it goes without saying that the molding process may be performed separately from the molding process by the discharge plasma sintering device 15.

<放電プラズマ焼結処理手順>
放電プラズマ焼結装置15の成形型(焼結用型を兼用)12をセットして加圧成型した後に、真空チャンバ150内の温度を上昇させる。このとき、昇温速度は20〜200K/分が用いられ、500〜1000K/分の急速昇温も可能である。本例では、例えば試料片が小さいφ20〜30mmのものでは数分から20分程度の昇温が適切であるから、これを考慮して、成形型12にて成形可能な磁歪成形体の大きさに応じて昇温時間を選定するようにすればよい。
また、真空チャンバ150内の温度条件として、昇温後に保つ保持温度は800〜2100℃である。これも材質で変化し、Fe合金では保持温度は溶解温度未満、例えば1000℃が最適である。この温度を保つことでFe合金の結晶性が向上する。
更に、SPS処理の焼結温度は内部の温度より100〜200K程度低くなる。この種のSPS処理は、物質粒子間の表面拡散現象が支配的で反応性休息昇温効果や電界拡散効果が寄与していることによる。また、保持温度は長い方が均一な高密度焼結体が得られる点で有効である。ここで、保持時間は5〜30分が適切で、Fe合金では10分が最適である。
<Discharge plasma sintering procedure>
After the molding die 12 (also serving as a sintering die) of the spark plasma sintering device 15 is set and pressure-molded, the temperature in the vacuum chamber 150 is raised. At this time, a temperature rising rate of 20 to 200 K/min is used, and rapid temperature rising of 500 to 1000 K/min is also possible. In this example, for example, when the sample piece is small and has a diameter of 20 to 30 mm, it is appropriate to raise the temperature for several minutes to about 20 minutes. The temperature raising time may be selected accordingly.
Further, as the temperature condition in the vacuum chamber 150, the holding temperature maintained after the temperature rise is 800 to 2100°C. This also changes depending on the material, and in the Fe alloy, the holding temperature is optimally lower than the melting temperature, for example, 1000°C. Maintaining this temperature improves the crystallinity of the Fe alloy.
Furthermore, the sintering temperature of the SPS process is lower than the internal temperature by about 100 to 200K. This type of SPS treatment is based on the fact that the surface diffusion phenomenon between substance particles is dominant and the reactive rest temperature raising effect and the electric field diffusion effect contribute. A longer holding temperature is effective in that a uniform high density sintered body can be obtained. Here, the holding time is suitably 5 to 30 minutes, and 10 minutes is optimal for the Fe alloy.

また、SPSさせるための電圧、電流は焼結性を向上する大きな因子であるが材質により変化する。セラミック粉だと高い電流値になり金属だとそれより低くなる。DCパルス焼結電源153は、粉末に4〜20V程度の直流電圧、ON−OFFのパルス状電流を500〜40000A印加し焼結する。流す電流には材料によって変化するが比較的融点が低いFe系は800から1200Aが適切である。
直流電圧はFe系では低い4Vが適切である。放電時間は材質によりセラミック系は1〜2時間程度が適切だが、金属では溶解しない5〜20分が適切である。
このように、DCパルス焼結電源153でON−OFFを繰り返し、電圧、電流を印加することにより、成形型12内の磁歪成形体13(図1参照)で放電点とジュール発熱点(局所的な高温発生場)が移動し、磁歪成形体13全体に分散されてONの状態での現象と効果が磁歪成形体13内に均一に繰り返される結果、電力消費量も少なく効率のよい焼結が行われる。
このような処理で、成形型12によって成形された磁歪成形体13は、放電プラズマ焼結にて磁歪焼結体16(図1参照)に焼結される。
The voltage and current for SPS are major factors for improving the sinterability, but they vary depending on the material. Ceramic powder has a high current value, and metal powder has a lower current value. The DC pulse sintering power supply 153 applies a DC voltage of about 4 to 20 V and an ON-OFF pulsed current of 500 to 40,000 A to the powder for sintering. 800 to 1200 A is suitable for the electric current to be applied to an Fe-based material having a relatively low melting point, which changes depending on the material.
A DC voltage of 4V, which is low in the Fe system, is suitable. Depending on the material, it is appropriate that the discharge time is about 1 to 2 hours for the ceramic type, but 5 to 20 minutes that does not dissolve in the metal is appropriate.
As described above, the DC pulse sintering power source 153 is repeatedly turned on and off to apply a voltage and a current, whereby the magnetostrictive molded body 13 (see FIG. 1) in the molding die 12 has a discharge point and a Joule heating point (locally). The high temperature generation field) moves, is dispersed in the entire magnetostrictive compact 13 and the phenomenon and effect in the ON state are uniformly repeated in the magnetostrictive compact 13, resulting in low power consumption and efficient sintering. Done.
Through such a process, the magnetostrictive molded body 13 molded by the molding die 12 is sintered into the magnetostrictive sintered body 16 (see FIG. 1) by spark plasma sintering.

−振動発電デバイスの製造方法及びその動作例−
上述した製造方法によって磁歪部品5を製造した後、支持フレーム20に磁石30,錘50を設置すると共に、磁歪部品5には所定巻数のコイル6を巻き付け、コイル6付きの磁歪部品5を支持フレーム20の凹部40に設置するようにすればよい。
このように、振動発電デバイス1に磁歪定数の大きい磁歪部品5を搭載するようにすれば、振動源3からの振動を支持フレーム20に伝搬することで、支持フレーム20に搭載された磁歪部品5の磁歪結晶材料が規則的な配向をもって歪むと、これに依存してコイル6に電磁誘導により大きな誘導電圧が発生する。このため、整流昇圧回路62からの発電出力Eとして高いものが得られる。
-Method of manufacturing vibration power generation device and operation example-
After the magnetostrictive component 5 is manufactured by the manufacturing method described above, the magnet 30 and the weight 50 are installed on the support frame 20, the coil 6 having a predetermined number of turns is wound around the magnetostrictive component 5, and the magnetostrictive component 5 with the coil 6 is supported on the support frame. It may be installed in the recess 40 of 20.
As described above, if the magnetostrictive component 5 having a large magnetostriction constant is mounted on the vibration power generation device 1, the vibration from the vibration source 3 is propagated to the support frame 20, and thus the magnetostrictive component 5 mounted on the support frame 20. When the magnetostrictive crystal material (1) is distorted with a regular orientation, a large induction voltage is generated in the coil 6 due to electromagnetic induction depending on the distortion. Therefore, a high power generation output E from the rectification booster circuit 62 can be obtained.

◎実施の形態2
図4は実施の形態2に係る振動発電デバイスの要部を示す。
同図において、振動発電デバイス1は、実施の形態1と略同様に、支持フレーム20、磁石30、磁歪部品5(実施の形態1の製造方法にて製造)及びコイル6を備えているが、実施の形態1と異なり、支持フレーム20の一方の腕部22の先端付近に可撓性のロッド101にスライドスイッチ100を設け、他方の腕部23の先端位置を一方の腕部22の先端位置よりも湾曲部24寄りに配置し、前述したスライドスイッチ100によって支持フレーム20の他方の腕部23の先端を上から押さえ込み、また、支持フレーム20の一方の腕部22上には他方の腕部23を上方に向けて付勢する付勢バネ102を設けるようにしたものである。尚、実施の形態1と同様な構成要素については実施の形態1と同様な符号を付してここではその詳細な説明を省略する。
本実施の形態によれば、スライドスイッチ100を他方の腕部23から離れる方向に移動させると、これに伴って、スライドスイッチ100による他方の腕部23の先端の押さえ込みが解除される。すると、支持フレーム20の他方の腕部23は付勢バネ102によって上方に付勢されることから、支持フレーム20の可動部20B(他方の腕部23+湾曲部24)が大きく振動する。この結果、支持フレーム20に搭載された磁歪部品5には大きな振動が伝搬されることになり、その分、磁歪部品5の磁歪材料の歪みが大きくなり、コイル6からの電磁誘導による誘導電圧が大きくなり、振動発電デバイス1から大きな発電出力が得られる。
尚、本例では、振動源として、可撓性ロッド101支持のスライドスイッチ100及び付勢バネ102を用いるようにしているが、可撓性ロッド101支持のスライドスイッチ100に代えて、コイルバネで支持された押しボタンにて支持フレーム20の他方の腕部23の先端を押さえ込み、押しボタンを押し下げて離すことで支持フレーム20の可動部20Bに大きな振動を付与することも可能である。
◎ Embodiment 2
FIG. 4 shows a main part of the vibration power generation device according to the second embodiment.
In the figure, the vibration power generation device 1 includes a support frame 20, a magnet 30, a magnetostrictive component 5 (manufactured by the manufacturing method of the first embodiment), and a coil 6, as in the first embodiment. Unlike the first embodiment, the slide switch 100 is provided on the flexible rod 101 near the tip of one arm 22 of the support frame 20, and the tip position of the other arm 23 is set to the tip position of the one arm 22. It is arranged closer to the curved portion 24 than the curved portion 24, and the tip of the other arm portion 23 of the support frame 20 is pressed from above by the slide switch 100 described above, and the other arm portion is provided on one arm portion 22 of the support frame 20. A biasing spring 102 that biases 23 upward is provided. The same components as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals as those in the first embodiment, and the detailed description thereof is omitted here.
According to the present embodiment, when slide switch 100 is moved away from the other arm portion 23, the pressing of the tip of the other arm portion 23 by slide switch 100 is released accordingly. Then, the other arm portion 23 of the support frame 20 is biased upward by the biasing spring 102, so that the movable portion 20B (the other arm portion 23+the bending portion 24) of the support frame 20 vibrates greatly. As a result, a large vibration is propagated to the magnetostrictive component 5 mounted on the support frame 20, and the strain of the magnetostrictive material of the magnetostrictive component 5 increases correspondingly, and the induced voltage from the coil 6 due to electromagnetic induction is increased. The vibration power generation device 1 can obtain a large power generation output.
In this example, the slide switch 100 supporting the flexible rod 101 and the biasing spring 102 are used as the vibration source. However, instead of the slide switch 100 supporting the flexible rod 101, the slide switch 100 supporting the flexible rod 101 is supported by a coil spring. It is also possible to apply a large vibration to the movable portion 20B of the support frame 20 by pressing the tip of the other arm portion 23 of the support frame 20 with the pushed push button and pushing down the push button to release it.

◎実施の形態3
図5(a)は実施の形態3に係る振動発電デバイスの要部を示す。
同図において,振動発電デバイス1の基本的構成は、実施の形態1と略同様に、支持フレーム20,磁歪部品5及びコイル6を備えているが、実施の形態1と異なり、支持フレーム20及び磁場作用手段の構成が実施の形態1と異なる。尚、実施の形態1と同様な構成要素については実施の形態1と同様な符号を付してここではその詳細な説明を省略する。
本例において、支持フレーム20は、樹脂製の略U字状の弾性変形可能なフレーム本体121を有している。ここで、樹脂材料122としては、耐食性、耐熱性や機械的強度と柔軟性に富んだポリエチレン、ポレプロピレン等のオレフィン系樹脂またはナイロン12、ナイロン6等の樹脂製ポリアミド樹脂、ポリフェニレンサルファルド(PPS)樹脂が用いられる。
そして、更に、フレーム本体121には磁性粉123が分散されている。この磁性粉123としては、フェライト系、ネオジム系、サマリウムコバルト系、サマリウム鉄窒素系で粒子が1〜10μm程度のものが用いられる。この磁性粉123は支持フレーム20を射出成形する前に樹脂材料122と共に均一に混合された後、射出成形にて樹脂内に均一に分散するようになっている。
更に、本例では、磁場作用手段として、支持フレーム20内に磁性粉123が分散していることから、支持フレーム20の対構成の腕部22,23のうち他方の腕部23のうち、磁歪部品5の設置箇所を挟んだ部位にN極、S極の着磁部124,125が形成されており、着磁部124,125間の磁歪部品5の設置箇所に磁場Gが形成されるようになっている。
更にまた、本例では、図5(b)に示すように、支持フレーム20の他方の腕部23には磁歪部品5が収容される凹部40が設けられており、この凹部40内に磁歪部品5が収容されるようになっている。そして、本例では、コイル6は、実施の形態1と異なり、支持フレーム20の他方の腕部23及び磁歪部品5の周囲に所定数巻き付けられ、磁歪部品5の磁歪材料の歪みに依存してコイル6に電磁誘導させるようにしたものである。
このように、本実施の形態では、支持フレーム20は磁性粉123が分散した樹脂製のフレーム本体121を有し、しかも、磁場作用手段として外付けの磁石(実施の形態1,2の磁石30に相当)を用いることなく、着磁部124,125を採用したことから、振動発電デバイス1として軽量化を図ることができると共に、磁石の設置スペースなどが不要になることから、小型化を図ることが可能である。
Embodiment 3
FIG. 5A shows a main part of the vibration power generation device according to the third embodiment.
In the figure, the basic configuration of the vibration power generation device 1 includes a support frame 20, a magnetostrictive component 5 and a coil 6 as in the first embodiment, but unlike the first embodiment, the support frame 20 and the The configuration of the magnetic field acting means is different from that of the first embodiment. The same components as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals as those in the first embodiment, and the detailed description thereof is omitted here.
In this example, the support frame 20 has a substantially U-shaped elastically deformable frame body 121 made of resin. Here, as the resin material 122, polyethylene, which is rich in corrosion resistance, heat resistance, mechanical strength and flexibility, olefin resin such as polypropylene, polyamide resin made of nylon 12, nylon 6 or the like, polyphenylene sulfide (PPS). ) Resin is used.
Further, magnetic powder 123 is dispersed in the frame body 121. As the magnetic powder 123, ferrite-based, neodymium-based, samarium-cobalt-based, samarium-iron-nitrogen-based particles having a particle size of about 1 to 10 μm are used. The magnetic powder 123 is uniformly mixed with the resin material 122 before injection-molding the support frame 20, and then uniformly dispersed in the resin by injection molding.
Further, in this example, since the magnetic powder 123 is dispersed in the support frame 20 as the magnetic field acting means, the magnetostriction in the other arm portion 23 of the pair of arm portions 22 and 23 of the support frame 20. N-pole and S-pole magnetized portions 124 and 125 are formed in a region sandwiching the installation location of the component 5, and a magnetic field G is formed at the installation location of the magnetostrictive component 5 between the magnetization portions 124 and 125. It has become.
Furthermore, in this example, as shown in FIG. 5B, the other arm portion 23 of the support frame 20 is provided with a recess 40 in which the magnetostrictive component 5 is accommodated. 5 are accommodated. Then, in the present example, unlike the first embodiment, the coil 6 is wound around the other arm portion 23 of the support frame 20 and the magnetostrictive component 5 by a predetermined number, and depends on the strain of the magnetostrictive material of the magnetostrictive component 5. The coil 6 is electromagnetically induced.
As described above, in the present embodiment, the support frame 20 has the resin frame main body 121 in which the magnetic powder 123 is dispersed, and further, the external magnet (the magnet 30 of the first and second embodiments) is used as the magnetic field acting means. By adopting the magnetizing portions 124 and 125 without using a magnetizing portion), it is possible to reduce the weight of the vibration power generation device 1 and to reduce the size because a magnet installation space is not required. It is possible.

◎実施の形態4
図6(a)は実施の形態4に係る振動発電デバイスの要部を示す。
同図において、振動発電デバイス1の基本的構成は、実施の形態3と略同様に、磁性粉123が分散した樹脂製のフレーム本体121を有する支持フレーム20、磁歪部品5及びコイル6を備えているが、実施の形態3と異なり、磁場作用手段として、着磁部124,125に代えて、フレーム本体121内にN極、S極の小磁石131,132を埋設し、これにより、磁歪部品5の設置箇所に磁場Gを作用させるようにしたものである。
従って、本実施の形態にあっても、実施の形態3と同様に、支持フレーム20は磁性粉123が分散した樹脂製のフレーム本体121を有し、しかも、磁場作用手段として外付けの磁石(実施の形態1,2の磁石30に相当)を用いることなく、埋め込み式の小磁石131,132を採用したことから、振動発電デバイス1として軽量化を図ることができると共に、磁石の設置スペースなどが不要になることから、小型化を図ることが可能である。
尚、本実施の形態では、支持フレーム20は磁性粉123が分散した樹脂製のフレーム本体121を有しているが、これに限られるものではなく、例えば図6(b)に示すように、支持フレーム20として磁性粉123を含まない樹脂製のフレーム本体121’を採用し、当該フレーム本体121’内に小磁石131,132を埋設し、これにより、磁歪部品5の設置箇所に磁場Gを作用させるようにすることも可能である。
◎ Embodiment 4
FIG. 6A shows a main part of the vibration power generation device according to the fourth embodiment.
In the figure, the basic configuration of the vibration power generation device 1 includes a support frame 20 having a resin frame body 121 in which magnetic powder 123 is dispersed, a magnetostrictive component 5, and a coil 6, as in the third embodiment. However, unlike the third embodiment, as magnetic field acting means, instead of the magnetizing portions 124 and 125, small magnets 131 and 132 having N and S poles are embedded in the frame body 121. The magnetic field G is made to act on the installation location of 5.
Therefore, also in the present embodiment, similarly to the third embodiment, the support frame 20 has the resin frame main body 121 in which the magnetic powder 123 is dispersed, and moreover, the external magnet ( Since the embedded small magnets 131 and 132 are adopted without using (corresponding to the magnet 30 of the first and second embodiments), the vibration power generation device 1 can be reduced in weight, and the installation space of the magnet, etc. Since it is unnecessary, the size can be reduced.
In the present embodiment, the support frame 20 has the resin frame body 121 in which the magnetic powder 123 is dispersed, but the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. A resin frame body 121 ′ containing no magnetic powder 123 is adopted as the support frame 20, and the small magnets 131 and 132 are embedded in the frame body 121 ′, whereby the magnetic field G is placed at the installation location of the magnetostrictive component 5. It is also possible to make it act.

◎実施例1
磁歪結晶材料としては、高純度化学株式会社製粒子径2〜3μmの純度3NのFeとGaを75:25wt%の比率で混合した。
ここで、理想の組成は82:18だがGaは揮発しやすいため75:25にした。
また、14本の溝(凹所に相当)がある超硬材料できた成形型(短冊状溝 幅4.5、長さ12.7、深さ0.7mm)に前記材料を充填し、加圧力30MPaで加圧した。
放電プラズマ焼結装置として株式会社シンターランド製のLABOX−600に、前述した成形型をセットし、SPSを行った。
SPSの焼結条件:
・SPS昇温速度 373K/分 1000℃の温度にして10分保持
・最大パルス電流 1000Aを5分印加
焼結されたFe−Ga磁歪焼結体(磁歪部品)の物性を測定した。
・ビッカス硬度 15.6GPa
・最大室温曲げ強度 420MPa
また、XRD測定を行ったところ、方位指数(100)と(111)が観察された多結晶体であった。
磁歪焼結体のサイズは幅4.1、長さ12.5、厚さ0.65mmを得た。
この磁歪焼結体を図2の支持フレームにセットし、コイルとしての銅線を1800巻き、磁場印加用ネオジム磁石 2×3×1(単位:mm)サイズを1個を支持フレームにセットし、図2に示す支持フレームの凹部にFe−Ga磁歪焼結体をはさみ固定した。その上から径0.33mmのコイルとしての銅線を2000回転巻いた。
このとき用いた磁歪結晶材料の磁歪定数は96ppmであった。先端に磁性粉が含まれた樹脂1gを錘とし、最大の電圧が得られる(共振周波数)の位置になるように調整した。この振動発電デバイスを用いて振動数100Hz、加速度0.1Gの振動を与えた結果、ピーク電圧0.18V(図2中の発電出力に相当)を発生した。
◎Example 1
As the magnetostrictive crystal material, Fe and Ga having a particle diameter of 2 to 3 μm and a purity of 3N manufactured by Kojundo Chemical Co., Ltd. were mixed at a ratio of 75:25 wt %.
Here, the ideal composition is 82:18, but since Ga easily volatilizes, it is set to 75:25.
In addition, a molding die (rectangular groove width 4.5, length 12.7, depth 0.7 mm) made of a superhard material having 14 grooves (corresponding to recesses) was filled with the above material and added. The pressure was increased to 30 MPa.
SPS was performed by setting the above-mentioned molding die in LABOX-600 manufactured by Sinterland Co., Ltd. as a spark plasma sintering apparatus.
SPS sintering conditions:
-SPS temperature rising rate 373 K/min It was kept at a temperature of 1000°C for 10 minutes-Maximum pulse current of 1000 A was applied for 5 minutes The physical properties of the sintered Fe-Ga magnetostrictive sintered body (magnetostrictive component) were measured.
・Viccus hardness 15.6 GPa
・Maximum room temperature bending strength 420MPa
Moreover, when XRD measurement was performed, it was a polycrystalline body in which orientation indices (100) and (111) were observed.
The size of the magnetostrictive sintered body was 4.1, the length was 12.5, and the thickness was 0.65 mm.
This magnetostrictive sintered body is set on the support frame of FIG. 2, 1800 copper wires as a coil are wound, and one neodymium magnet for magnetic field application 2×3×1 (unit: mm) size is set on the support frame, An Fe—Ga magnetostrictive sintered body was sandwiched and fixed in the recess of the support frame shown in FIG. A copper wire as a coil having a diameter of 0.33 mm was wound 2000 times from above.
The magnetostrictive constant of the magnetostrictive crystal material used at this time was 96 ppm. The weight was adjusted so that the maximum voltage could be obtained (resonance frequency) with 1 g of resin containing magnetic powder at the tip. As a result of applying a vibration with a frequency of 100 Hz and an acceleration of 0.1 G using this vibration power generation device, a peak voltage of 0.18 V (corresponding to the power generation output in FIG. 2) was generated.

◎実施例2
実施例1と同様な成形型、放電プラズマ焼結装置を用い、磁歪成形体、磁歪焼結体を作製した。磁歪結晶材料はFe−Co粉末を用いた以外は実施例1と同じである。更に、実施例1と同様に振動発電デバイスを構成して、その特性を測定した。このとき用いた磁歪結晶材料の磁歪定数は80ppmであった。また、振動発電デバイスを用いて振動数100Hz、加速度0.1Gの振動を与えた結果、ピーク電圧0.11V(図2中の発電出力に相当)を発生した。
◎Example 2
A magnetostrictive molded body and a magnetostrictive sintered body were produced by using the same molding die and discharge plasma sintering apparatus as in Example 1. The magnetostrictive crystal material is the same as in Example 1 except that Fe-Co powder is used. Further, a vibration power generation device was constructed in the same manner as in Example 1, and its characteristics were measured. The magnetostrictive constant of the magnetostrictive crystal material used at this time was 80 ppm. Further, as a result of applying a vibration with a frequency of 100 Hz and an acceleration of 0.1 G using the vibration power generation device, a peak voltage of 0.11 V (corresponding to the power generation output in FIG. 2) was generated.

◎比較例1
Fe−Ga結晶をCZ法で育成した場合、直径1インチ、長さ3センチ育成するのに2日間要した。この結晶価格は高価であり、また傷付き易く、割れやすいので、機械加工が難しく短冊状に加工するのに放電加工で小片化したところ、加工費が¥1500と高価なものになった。そのため低価格が求められるIoT(Internet of Things)向け電源としては不適切であることが理解される。
◎Comparative example 1
When the Fe—Ga crystal was grown by the CZ method, it took 2 days to grow the diameter of 1 inch and the length of 3 cm. This crystal price is expensive, and it is easily scratched and cracked, so it is difficult to machine, and when it was cut into small pieces by electrical discharge machining to form strips, the processing cost was as high as ¥1,500. Therefore, it is understood that it is unsuitable as a power supply for IoT (Internet of Things) that requires low price.

本発明に係る振動発電デバイスは、生産性を高めた磁歪定数の大きい磁歪部品を搭載するものであるため、磁歪部品の価格を低減することができ、その分、振動発電デバイスの価格を低減することができる。よって、低価格が求められるIoT向けの通信モジュールのセンサや通信用電源等に対して有効に利用することができる。 Since the vibration power generation device according to the present invention is equipped with a magnetostriction component having a high magnetostriction constant with improved productivity, the price of the magnetostriction component can be reduced, and the price of the vibration power generation device can be reduced accordingly. be able to. Therefore, it can be effectively used for a sensor of a communication module for IoT and a power supply for communication which are required to be low in price.

1 振動発電デバイス
2 被振動体
3 振動源
4 磁場作用手段
5 磁歪部品
6 コイル
11 成型工程
12 成形型
13 磁歪成形体
14 放電プラズマ焼結工程
15 放電プラズマ焼結装置
16 磁歪焼結体
M1 磁歪結晶材料
M2 添加材料
E 発電出力
G 磁場
20 支持フレーム
20A 固定部
20B 可動部
21 弾性板材
22 一方の腕部
23 他方の腕部
24 湾曲部
25 延長部
30 磁石
40 凹部
41 段差部
50 錘
60 電極
61 配線
62 整流昇圧回路
100 スライドスイッチ
101 ロッド
102 付勢バネ
121 フレーム本体
122 樹脂材料
123 磁性粉
124 着磁部
125 着磁部
131 小磁石
132 小磁石
150 真空チャンバ
151 電極加圧軸
152 電極加圧軸
153 DCパルス焼結電源
154 パンチ
155 パンチ
156 ダイ
157 温度センサ
158 コントローラ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vibration power generation device 2 Vibrated body 3 Vibration source 4 Magnetic field acting means 5 Magnetostrictive component 6 Coil 11 Molding process 12 Molding die 13 Magnetostrictive compacting body 14 Discharge plasma sintering process 15 Discharge plasma sintering apparatus 16 Magnetostrictive sintered body M1 Magnetostrictive crystal Material M2 Additive material E Power generation output G Magnetic field 20 Support frame 20A Fixed part 20B Movable part 21 Elastic plate material 22 One arm part 23 The other arm part 24 Curved part 25 Extension part 30 Magnet 40 Recess 41 Step part 50 Weight 60 Electrode 61 Wiring 62 rectification booster circuit 100 slide switch 101 rod 102 urging spring 121 frame body 122 resin material 123 magnetic powder 124 magnetizing part 125 magnetizing part 131 small magnet 132 small magnet 150 vacuum chamber 151 electrode pressing shaft 152 electrode pressing shaft 153 DC pulse sintering power supply 154 Punch 155 Punch 156 Die 157 Temperature sensor 158 Controller

Claims (9)

振動源からの振動を受けて伝搬する被振動体と、
前記被振動体の少なくとも一部に磁場を作用させる磁場作用手段と、
前記被振動体のうち前記磁場作用手段による磁場の作用領域に設けられ、磁歪結晶材料を含む磁歪部品と、
前記磁歪部品の周囲に巻かれ、前記磁歪部品の磁歪結晶材料の歪みに依存して電磁誘導するコイルと、を備えた振動発電デバイスを製造するに際し、
前記磁歪部品は、
粉末状の磁歪結晶材料を予め決められた前記磁歪部品形状の型に充填して成形する成型工程と、
前記成型工程にて成形された前記磁歪結晶材料を含む磁歪成形体を放電プラズマ焼結にて磁歪焼結体とする放電プラズマ焼結工程と、
を経て製造されることを特徴とする振動発電デバイスの製造方法。
A vibrating body that receives and propagates vibrations from a vibration source,
Magnetic field acting means for acting a magnetic field on at least a part of the vibrated body,
A magnetostrictive component provided in a magnetic field acting area of the vibrating body by the magnetic field acting means and including a magnetostrictive crystal material,
A coil wound around the magnetostrictive component, and a coil for electromagnetic induction depending on the strain of the magnetostrictive crystal material of the magnetostrictive component, and in producing a vibration power generation device,
The magnetostrictive component is
A molding step in which a powdery magnetostrictive crystal material is filled into a predetermined mold of the magnetostrictive component shape and molded,
A discharge plasma sintering step in which a magnetostrictive molded body containing the magnetostrictive crystal material molded in the molding step is a magnetostrictive sintered body by discharge plasma sintering,
A method for manufacturing a vibration power generation device, comprising:
請求項1に記載の振動発電デバイスの製造方法において、
前記磁歪結晶材料は、Fe−Ga又はFe−Coであることを特徴とする振動発電デバイスの製造方法。
The method for manufacturing the vibration power generation device according to claim 1,
The method of manufacturing a vibration power generation device, wherein the magnetostrictive crystal material is Fe-Ga or Fe-Co.
請求項1又は2に記載の振動発電デバイスの製造方法において、
前記成型工程は、前記磁歪結晶材料以外に銅、アルミニウム、ホウ素、炭素のいずれかを添加したもので前記磁歪成形体を成形することを特徴とする振動発電デバイスの製造方法。
The method for manufacturing a vibration power generation device according to claim 1 or 2,
In the molding step, the magnetostrictive molded body is molded by adding any one of copper, aluminum, boron, and carbon in addition to the magnetostrictive crystal material.
請求項1乃至3のいずれかに記載の振動発電デバイスの製造方法において、
前記磁歪結晶材料は、平均粒子径が40乃至100nmに粉砕された粉末状であることを特徴とする振動発電デバイスの製造方法。
The method for manufacturing a vibration power generation device according to claim 1,
The method for manufacturing a vibration power generation device, wherein the magnetostrictive crystal material is in the form of powder pulverized to have an average particle size of 40 to 100 nm.
請求項1乃至4のいずれかに記載の振動発電デバイスの製造方法において、
前記成型工程は、前記型に充填された前記磁歪結晶材料を20ないし100MPaで一方向から加圧することを特徴とする振動発電デバイスの製造方法。
The method for manufacturing a vibration power generation device according to any one of claims 1 to 4,
The method of manufacturing a vibration power generation device, wherein the molding step presses the magnetostrictive crystal material filled in the mold from 20 to 100 MPa in one direction.
請求項1乃至5のいずれかに記載の振動発電デバイスの製造方法において、
前記放電プラズマ焼結工程は、焼結環境温度が800℃以上で前記磁歪結晶材料の熔解温度未満の温度に保持されていることを特徴とする振動発電デバイスの製造方法。
The method for manufacturing a vibration power generation device according to claim 1,
The method of manufacturing a vibration power generation device, wherein the spark plasma sintering step is performed at a sintering environment temperature of 800° C. or higher and a temperature lower than the melting temperature of the magnetostrictive crystal material.
請求項1乃至6のいずれか記載の振動発電デバイスの製造方法において、
前記放電プラズマ焼結工程は、前記成型工程で使用した型を焼結用型として兼用して実施することを特徴とする振動発電デバイスの製造方法。
The method for manufacturing a vibration power generation device according to claim 1,
The method of manufacturing a vibration power generation device, wherein the spark plasma sintering step is performed by using the mold used in the molding step also as a sintering mold.
請求項1乃至7のいずれかに記載の振動発電デバイスの製造方法において、
前記磁歪焼結体は多結晶体であることを特徴とする振動発電デバイスの製造方法。
The method for manufacturing a vibration power generation device according to claim 1,
The method for manufacturing a vibration power generation device, wherein the magnetostrictive sintered body is a polycrystalline body.
振動発電デバイスに用いられる磁歪部品を製造するに際し、
粉末状の磁歪結晶材料を予め決められた前記磁歪部品形状の型に充填して成形する成型工程と、
前記成型工程にて成形された前記磁歪結晶材料を含む磁歪成形体を放電プラズマ焼結にて磁歪焼結体とする放電プラズマ焼結工程と、
を経て製造されることを特徴とする磁歪部品の製造方法。
When manufacturing magnetostrictive components used in vibration power generation devices,
A molding step in which a powdery magnetostrictive crystal material is filled into a predetermined mold of the magnetostrictive component shape and molded,
A discharge plasma sintering step in which a magnetostrictive molded body containing the magnetostrictive crystal material molded in the molding step is a magnetostrictive sintered body by discharge plasma sintering,
A method for manufacturing a magnetostrictive component, which is manufactured through
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