JP4694551B2 - 電気エネルギを蓄積する装置 - Google Patents
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Description
本発明は電気エネルギを蓄積する装置に関する。特に、本発明は電気エネルギを蓄積する磁気デバイスに関する。
エネルギ蓄積部は我々の生活にとって非常に重要である。回路に使用されるコンデンサや携帯装置に使用される電池などの部品、電気エネルギ蓄積部は、電気デバイスの性能および作動時間に影響を与える。
しかし、従来のエネルギ蓄積部にはいくつかの問題点があった。例えば、コンデンサには、総合的な性能を低下させる電流リークの問題があった。また、電池は充電／放電が部分的に行われると、メモリ効果の問題により総合的な性能が低下することがあった。
巨大磁気抵抗効果（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｅｆｆｅｃｔ）とは、薄い磁性セクションと薄い非磁性セクションとが交互に形成された構造中でみられる量子力学的効果である。外部磁界が印加されると、巨大磁気抵抗効果によりゼロ磁場の高抵抗状態から高磁場の低抵抗状態へと電気抵抗が大幅に変化する。
そのため、巨大磁気抵抗効果は、良好な性能を有する絶縁体として利用することができる。巨大磁気抵抗効果を有する装置は、電気エネルギを蓄積することができる。
上述の理由から、巨大磁気抵抗効果を有し、電気エネルギを蓄積する装置が求められていた。
本発明の目的は、電気エネルギを蓄積する装置を提供することにある。
（１） 第１の磁性セクションおよび第２の磁性セクションを有する第１の磁性ユニットと、第３の磁性セクションおよび第４の磁性セクションを有する第２の磁性ユニットと、 前記第１の磁性ユニットと前記第２の磁性ユニットとの間に配置された誘電体セクションと、を備え、前記誘電体セクションにより電気エネルギを蓄積し、ダイポール（双極子）を有する前記第１の磁性セクション、前記第２の磁性セクション、前記第３の磁性セクションおよび前記第４の磁性セクションにより電流リークを防ぐ、ことを特徴とする電気エネルギを蓄積する装置を提供する。
（２） 前記誘電体セクションは薄膜である、ことを特徴とする（１）に記載の電気エネルギを蓄積する装置を提供する。
（３） 前記誘電体セクションは誘電体材料からなる、ことを特徴とする（１）に記載の電気エネルギを蓄積する装置を提供する。
（４） 前記第１の磁性セクションと前記第２の磁性セクションとの間に配置された第１の導電セクションをさらに備える、ことを特徴とする（１）に記載の電気エネルギを蓄積する装置を提供する。
（５） 前記第３の磁性セクションと前記第４の磁性セクションとの間に配置された第２の導電セクションをさらに備える、ことを特徴とする（１）に記載の電気エネルギを蓄積する装置を提供する。
（６） 前記第１の磁性セクション、前記第２の磁性セクション、前記第３の磁性セクションおよび前記第４の磁性セクションの各々は薄膜である、ことを特徴とする（１）に記載の電気エネルギを蓄積する装置を提供する。
（７） 前記磁性セクションに隣接して配置され、各磁性セクションの前記ダイポールをそれぞれ制御する複数の金属デバイスをさらに備える、ことを特徴とする（１）に記載の電気エネルギを蓄積する装置を提供する。
（８） 前記電気エネルギを蓄積する装置が電気エネルギを蓄積するとき、前記第１の磁性セクションの前記ダイポールと前記第２の磁性セクションの前記ダイポールは、それらの向きが異なる、ことを特徴とする（１）に記載の電気エネルギを蓄積する装置を提供する。
（９） 前記電気エネルギを蓄積する装置が電気エネルギを蓄積するとき、前記第３の磁性セクションの前記ダイポールと前記第４の磁性セクションの前記ダイポールは、それらの向きが異なる、ことを特徴とする（１）に記載の電気エネルギを蓄積する装置を提供する。
（１０） 前記電気エネルギを蓄積する装置を充電するときに、前記第１の磁性ユニットおよび前記第２の磁性ユニットが電源に接続される、ことを特徴とする（１）に記載の電気エネルギを蓄積する装置を提供する。
（１１） 前記電気エネルギを蓄積する装置を放電するときに、前記第１の磁性ユニットおよび前記第２の磁性ユニットが負荷デバイスに接続される、ことを特徴とする（１）に記載の電気エネルギを蓄積する装置を提供する。
（１２） ２つの磁性セクションをそれぞれに有する複数の磁性ユニットと、２つの隣接する前記磁性ユニット間にそれぞれ配置された複数の誘電体セクションと、を備え、前記誘電体セクションにより電気エネルギを蓄積し、ダイポールを有する前記磁性セクションにより電流リークを防ぐ、ことを特徴とする電気エネルギを蓄積する装置を提供する。
（１３） 前記誘電体セクションは複数の薄膜である、ことを特徴とする（１２）に記載の電気エネルギを蓄積する装置を提供する。
（１４） 前記誘電体セクションは誘電体材料からなる、ことを特徴とする（１２）に記載の電気エネルギを蓄積する装置を提供する。
（１５） 前記磁性ユニットにおける各々の前記２つの磁性セクション間に配置された複数の導電セクションをさらに備える、ことを特徴とする（１２）に記載の電気エネルギを蓄積する装置を提供する。
（１６） 前記磁性セクションは複数の薄膜である、ことを特徴とする（１２）に記載の電気エネルギを蓄積する装置を提供する。
（１７） 前記磁性セクションに隣接してそれぞれ配置され、各磁性セクションにおける前記ダイポールをそれぞれに制御する複数の金属デバイスをさらに備えることを特徴とする（１２）に記載の電気エネルギを蓄積する装置を提供する。
（１８） 前記電気エネルギを蓄積する装置が電気エネルギを蓄積するときに、各磁性ユニットにおける前記２つの磁性セクションの前記ダイポールは、それらの向きが異なることを特徴とする（１２）に記載の電気エネルギを蓄積する装置を提供する。
（１９） 前記電気エネルギを蓄積する装置を充電するときに、前記磁性セクションの一部が電源に接続されることを特徴とする（１２）に記載の電気エネルギを蓄積する装置を提供する。
（２０） 前記電気エネルギを蓄積する装置を放電するときに、前記磁性セクションの一部が負荷デバイスに接続されることを特徴とする（１２）に記載の電気エネルギを蓄積する装置を提供する。
本発明によれば、巨大磁気抵抗効果を利用した電気エネルギ蓄積装置が提供される。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。尚、本実施形態のみによって本発明が限定されるものではない。
図１は、本発明の一実施形態による電気エネルギを蓄積する装置を示す模式図である。電気エネルギを蓄積する装置は、第１の磁性ユニット１１０、第２の磁性ユニット１２０および誘電体セクション１３０を有する。第１の磁性ユニット１１０は、第１の磁性セクション１１４および第２の磁性セクション１１８を有する。第２の磁性ユニット１２０は、第３の磁性セクション１２４および第４の磁性セクション１２８を有する。誘電体セクション１３０は、第１の磁性ユニット１１０と、第２の磁性ユニット１２０との間に配置される。誘電体セクション１３０は、電気エネルギを蓄積するために用いられ、ダイポール（例えば、１１３、１１７、１２３および１２７）を有する第１の磁性セクション１１４、第２の磁性セクション１１８、第３の磁性セクション１２４および第４の磁性セクション１２８は、電流リークの発生を防ぐために用いられる。
誘電体セクション１３０は薄膜であり、ＢａＴｉＯ３、ＴｉＯ３などの誘電体材料からなる。しかし、誘電体材料は完全な絶縁体ではないため、小さな電流が誘電体セクション１３０を流れることがあった。
そのため、電気エネルギを蓄積する装置は、第１の磁性セクション１１４と、第２の磁性セクション１１８との間に配置された第１の導電セクション１１５をさらに有する。この電気エネルギを蓄積する装置は、第３の磁性セクション１２４と、第４の磁性セクション１２８との間に配置された第２の導電セクション１２５をさらに有する。第１の導電セクション１１５および第２の導電セクション１２５は、磁性セクション１１４，１１８，１２４，１２８の各々のダイポール１１３，１１７，１２３，１２７を制御することにより導体または絶縁体にすることができる。
すなわち、電流が流れること（例えば、電流リーク）を防ぐために、第１の磁性ユニット１１０および第２の磁性ユニット１２０の２つの絶縁体を利用する。第１の磁性セクション１１４、第２の磁性セクション１１８、第３の磁性セクション１２４および第４の磁性セクション１２８は薄膜であり、ダイポールを有するこれら４つの磁性セクションを用いると電流リークを防ぐことができる。
電気エネルギを蓄積する装置は、第１の磁性セクション１１４、第２の磁性セクション１１８、第３の磁性セクション１２４および第４の磁性セクション１２８に隣接してそれぞれ配置され、第１の磁性セクション１１４、第２の磁性セクション１１８、第３の磁性セクション１２４および第４の磁性セクション１２８のダイポール１１３，１１７，１２３，１２７をそれぞれ制御する複数の金属デバイス（図示せず）をさらに有する。そして、この金属デバイスにより外部磁界を印加すると、磁性セクションのダイポールを制御することができる。
上述したように、磁性セクション１１４，１１８，１２４，１２８のダイポール１１３，１１７，１２３，１２７を制御し、誘電体セクション１３０と組み合わせると、電気エネルギを蓄積し、電流リークの発生を防ぐことができる。本例では、この装置が電気エネルギを蓄積するとき、第１の磁性ユニット１１０中の第１の磁性セクション１１４のダイポール１１３（左向きの矢印「←」で示す）と、第２の磁性セクション１１８のダイポール１１７（右向きの矢印「→」で示す）とは異なり、第２の磁性ユニット１２０中の第３の磁性セクション１２４のダイポール１２３（左向きの矢印「←」で示す）と、第４の磁性セクション１２８のダイポール１２７（右向きの矢印「→」で示す）とは異なる。そのため、第１の磁性ユニット１１０および第２の磁性ユニット１２０は、電流リークの発生を防ぎ、誘電体セクション１３０中に電気エネルギを蓄積させることができる。
すなわち、第１の磁性ユニット１１０のダイポール１１３とダイポール１１７の向きが互いに異なり、第２の磁性ユニット１２０のダイポール１２３とダイポール１２７の向きが互いに異なるとき、第１の磁性ユニット１１０および第２の磁性ユニット１２０が絶縁体となるため、電流リークが低減される。このような電流リークの低減によって、エネルギを長期間蓄積し、電気エネルギの損失を少なくすることができる。
なお、図１中の矢印「→」、「←」は、磁性セクションのダイポールを例示しているだけであり、ダイポールの向きがこのような矢印の向きだけに限定されるわけではない。
図２は、本発明の一実施形態による電気エネルギを蓄積する装置の充電を行うときの状態を示す模式図である。この電気エネルギを蓄積する装置を充電するとき、第１の磁性ユニット１１０および第２の磁性ユニット１２０は、電源２６０に接続され、電源２６０から電気エネルギが誘電体セクション１３０へ供給される。
図３は、本発明の一実施形態による電気エネルギを蓄積する装置の放電を行うときの状態を示す模式図である。この電気エネルギを蓄積する装置を放電するとき、第１の磁性ユニット１１０および第２の磁性ユニット１２０は、負荷デバイス３７０に接続される。これにより、電気エネルギが誘電体セクション１３０から負荷デバイス３７０に与えられる。
磁性セクション１１４，１１８，１２４，１２８のダイポールは、電源または負荷デバイスにより容易に影響されるため、磁性ユニット１１０，１２０の絶縁効率が良好ではない。これにより、電流は磁性セクションを通ることができる。
この電気エネルギを蓄積する装置は、容量値の大きなコンデンサと見なすことができる。さらに、この電気エネルギを蓄積する装置は、電池として利用することができる。この電気エネルギを蓄積する装置は電池機能を有するが、メモリ効果の問題は発生しない。そのため、性能を低下させずに充放電を完全にあるいは部分的に行うことができる。
あるいは、この電気エネルギを蓄積する大型の装置では、並列のアレイ状をした配列とし、さらに大きなエネルギを蓄積することができる。また、複数の装置を積層して、図４に示すようにさらに大きなエネルギを蓄積できるようにしてもよい。
図４に示すもう一つの実施形態では、３つの磁性ユニット１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃおよび２つの誘電体セクション１３０ａ，１３０ｂが使用されている。この電気エネルギを蓄積する装置は、複数の磁性ユニット１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃと、複数の誘電体セクション１３０ａ，１３０ｂとを有する。磁性ユニットの各々は２つの磁性セクションを有する。例えば、磁性ユニット１１０ａは、２つの磁性セクション１１４ａ，１１８ａを有する。誘電体セクションの各々は、２つの隣接した磁性ユニットの間にそれぞれ配置されている。例えば、誘電体セクション１３０ａは、互いに隣接した磁性ユニット１１０ａと磁性ユニット１１０ｂとの間に配置され、誘電体セクション１３０ｂは、互いに隣接した磁性ユニット１１０ｂと磁性ユニット１１０ｃとの間に配置されている。誘電体セクション１３０ａ，１３０ｂは、電気エネルギを蓄積するために用いられ、ダイポール１１３ａ，１１７ａ，１１３ｂ，１１７ｂ，１１３ｃ，１１７ｃをそれぞれに有する磁性セクション１１４ａ，１１８ａ，１１４ｂ，１１８ｂ，１１４ｃ，１１８ｃは、電気エネルギのリークを防ぐために用いられる。
電気エネルギを蓄積する装置は、磁性ユニットの各々の２つの磁性セクション間にそれぞれ配置された複数の導電セクションをさらに有する。例えば、導電セクション１１５ａは、磁性ユニット１１０ａ中の磁性セクション１１４ａと磁性セクション１１８ａとの間に配置され、導電セクション１１５ｂは、磁性ユニット１１０ｂ中の磁性セクション１１４ｂと磁性セクション１１８ｂとの間に配置される。
そして、電気エネルギを蓄積する装置は、磁性セクションのダイポールを制御するために、磁性セクションに隣接するようにそれぞれ配置された複数の金属デバイス（図示せず）をさらに有する。
この装置が電気エネルギを蓄積するとき、各磁性ユニットにおける、これら２つの磁性セクションのダイポールの向きが異なる。例えば、装置が電気エネルギを蓄積するとき、磁性ユニット１１０ａ中の磁性セクション１１４ａ，１１８ａのダイポール１１３ａ，１１７ａはそれらの向きが互いに異なり、磁性ユニット１１０ｂ中の磁性セクション１１４ｂ，１１８ｂのダイポール１１３ｂ，１１７ｂはそれらの向きが互いに異なる。
電気エネルギを蓄積する装置は、充電するときに磁性セクションの一部を電源に接続し、放電するときに磁性セクションの一部を負荷デバイスに接続する。すなわち、電気エネルギを蓄積する装置の充電または放電を行うとき、両端部における磁性セクション１１４ａ，１１８ｃが電源または負荷デバイスに接続されるか、全ての磁性セクションが電源または負荷デバイスに接続される。
本発明では好適な実施形態を前述の通り開示したが、これらは決して本発明を限定するものではなく、当該技術を熟知するものなら誰でも、本発明の主旨と領域を脱しない範囲内で各種の変更や修正を加えることができる。従って本発明の保護の範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。
１１０ 第１の磁性ユニット
１１０ａ 磁性ユニット
１１０ｂ 磁性ユニット
１１０ｃ 磁性ユニット
１１３ ダイポール
１１３ａ ダイポール
１１３ｂ ダイポール
１１３ｃ ダイポール
１１４ 第１の磁性セクション
１１４ａ 磁性セクション
１１４ｂ 磁性セクション
１１４ｃ 磁性セクション
１１５ 第１の導電セクション
１１５ａ 導電セクション
１１５ｂ 導電セクション
１１５ｃ 導電セクション
１１７ ダイポール
１１７ａ ダイポール
１１７ｂ ダイポール
１１７ｃ ダイポール
１１８ 第２の磁性セクション
１１８ａ 磁性セクション
１１８ｂ 磁性セクション
１１８ｃ 磁性セクション
１２０ 第２の磁性ユニット
１２３ ダイポール
１２４ 第３の磁性セクション
１２５ 第２の導電セクション
１２７ ダイポール
１２８ 第４の磁性セクション
１３０ 誘電体セクション
１３０ａ 誘電体セクション
１３０ｂ 誘電体セクション
２６０ 電源
３７０ 負荷デバイス
１１０ａ 磁性ユニット
１１０ｂ 磁性ユニット
１１０ｃ 磁性ユニット
１１３ ダイポール
１１３ａ ダイポール
１１３ｂ ダイポール
１１３ｃ ダイポール
１１４ 第１の磁性セクション
１１４ａ 磁性セクション
１１４ｂ 磁性セクション
１１４ｃ 磁性セクション
１１５ 第１の導電セクション
１１５ａ 導電セクション
１１５ｂ 導電セクション
１１５ｃ 導電セクション
１１７ ダイポール
１１７ａ ダイポール
１１７ｂ ダイポール
１１７ｃ ダイポール
１１８ 第２の磁性セクション
１１８ａ 磁性セクション
１１８ｂ 磁性セクション
１１８ｃ 磁性セクション
１２０ 第２の磁性ユニット
１２３ ダイポール
１２４ 第３の磁性セクション
１２５ 第２の導電セクション
１２７ ダイポール
１２８ 第４の磁性セクション
１３０ 誘電体セクション
１３０ａ 誘電体セクション
１３０ｂ 誘電体セクション
２６０ 電源
３７０ 負荷デバイス
Claims (12)
- 巨大磁気抵抗効果を用いた電気エネルギを蓄積する装置であって、
第１の磁性セクションおよび第２の磁性セクションを有する第１の磁性ユニットと、
前記第１の磁性セクションと前記第２の磁性セクションとの間に配置された第１の導電セクションと、
第３の磁性セクションおよび第４の磁性セクションを有する第２の磁性ユニットと、
前記第３の磁性セクションと前記第４の磁性セクションとの間に配置された第２の導電セクションと、
前記第１の磁性ユニットと前記第２の磁性ユニットとの間に配置された誘電体セクションと、を備え、
前記誘電体セクションにより電気エネルギを蓄積し、
前記電気エネルギを蓄積する装置が電気エネルギを蓄積するとき、前記第１の磁性セクションのダイポールと前記第２の磁性セクションのダイポールは、それらの向きが異なり、
前記電気エネルギを蓄積する装置が電気エネルギを蓄積するとき、前記第３の磁性セクションのダイポールと前記第４の磁性セクションのダイポールは、それらの向きが異なることを特徴とする電気エネルギを蓄積する装置。 - 前記誘電体セクションは薄膜であることを特徴とする請求項１に記載の電気エネルギを蓄積する装置。
- 前記誘電体セクションは、誘電体材料からなることを特徴とする請求項１に記載の電気エネルギを蓄積する装置。
- 前記第１の磁性セクション、前記第２の磁性セクション、前記第３の磁性セクションおよび前記第４の磁性セクションの各々は薄膜であることを特徴とする請求項１に記載の電気エネルギを蓄積する装置。
- 前記電気エネルギを蓄積する装置を充電するときに、前記第１の磁性ユニットおよび前記第２の磁性ユニットが電源に接続されることを特徴とする請求項１に記載の電気エネルギを蓄積する装置。
- 前記電気エネルギを蓄積する装置を放電するときに、前記第１の磁性ユニットおよび前記第２の磁性ユニットが負荷デバイスに接続されることを特徴とする請求項１に記載の電気エネルギを蓄積する装置。
- 巨大磁気抵抗効果を用いた電気エネルギを蓄積する装置であって、
２つの磁性セクションをそれぞれに有する複数の磁性ユニットと、
前記磁性ユニットにおける各々の前記２つの磁性セクション間に配置された複数の導電セクションと、
２つの隣接する前記磁性ユニットの間にそれぞれ配置された複数の誘電体セクションと、を備え、
前記誘電体セクションにより電気エネルギを蓄積し、
前記電気エネルギを蓄積する装置が電気エネルギを蓄積するときに、各磁性ユニットにおける前記２つの磁性セクションのダイポールは、それらの向きが異なることを特徴とする電気エネルギを蓄積する装置。 - 前記誘電体セクションは複数の薄膜であることを特徴とする請求項７に記載の電気エネルギを蓄積する装置。
- 前記誘電体セクションは誘電体材料からなることを特徴とする請求項７に記載の電気エネルギを蓄積する装置。
- 前記磁性セクションは複数の薄膜であることを特徴とする請求項７に記載の電気エネルギを蓄積する装置。
- 前記電気エネルギを蓄積する装置を充電するときに、前記磁性セクションの一部が電源に接続されることを特徴とする請求項７に記載の電気エネルギを蓄積する装置。
- 前記電気エネルギを蓄積する装置を放電するときに、前記磁性セクションの一部が負荷デバイスに接続されることを特徴とする請求項７に記載の電気エネルギを蓄積する装置。
Applications Claiming Priority (2)
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