JP4694552B2 - 電気エネルギを蓄積する磁性コンデンサ - Google Patents

電気エネルギを蓄積する磁性コンデンサ Download PDF

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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の磁性セクションと、第２の磁性セクションと、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）をそれぞれに有する前記第１の磁性セクションおよび前記第２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の磁性セクションまたは前記第２の磁性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。
（５） 前記第１の磁性セクションに隣接して配置され、前記第１の磁性セクションの前記ダイポールを制御する第１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。
（６） 前記第２の磁性セクションに隣接して配置され、前記第２の磁性セクションの前記ダイポールを制御する第２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。
（７） 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とが同じ向き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。
（８） 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の磁性セクションおよび前記第２の磁性セクション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。
（９） 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の磁性セクションおよび前記第２の磁性セクション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。
（１０） 複数の磁性セクションと、２つの隣接する前記磁性セクション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、ダイポールをそれぞれに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。
（１１） 前記誘電体セクションは薄膜であることを特徴とする（１０）に記載の電気エネルギを蓄積する装置を提供する。
（１２） 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（１０）に記載の電気エネルギを蓄積する装置を提供する。
（１３） 前記磁性セクションは薄膜であることを特徴とする（１０）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（１０）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、前記磁性セクションの前記ダイポール同士が同じ向きであることを特徴とする（１０）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（１０）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（１０）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。
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の磁性セクション１１０と、第２の磁性セクション１２０と、第１の磁性セクション１１０と第２の磁性セクション１２０の間に配置された誘電体セクション１３０とを有する。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、１１５および１２５）を有する第１の磁性セクション１１０および第２の磁性セクション１２０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、絶縁効果により電流が流れること（例えば、電流リーク）を防ぐために、第１の磁性セクション１１０および第２の磁性セクション１２０を利用する。第１の磁性セクション１１０および第２の磁性セクション１２０は薄膜であり、ダイポールを有するこれら２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１１０に隣接して配置された第１の金属デバイス１４０をさらに有する。第１の金属デバイス１４０は、第１の磁性セクション１１０のダイポール１１５を制御するために用いる。また、この電気エネルギを蓄積する装置は、第２の磁性セクション１２０に隣接して配置された第２の金属デバイス１５０をさらに有する。この第２の金属デバイス１５０は、第２の磁性セクション１２０のダイポール１２５を制御するために用いる。そして、第１の金属デバイス１４０および第２の金属デバイス１５０により外部磁界を印加すると、磁性セクション１１０，１２０のダイポールを制御することができる。
金属デバイス１４０，１５０は、図１に示す位置だけに限定されるわけではなく、実際の必要に応じて配置することができる。
上述したように、金属デバイス１４０，１５０を利用して磁性セクション１１０，１２０のダイポール１１５，１２５を制御し、誘電体セクション１３０を有するダイポール１１５，１２５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。この装置が電気エネルギを蓄積するとき、第１の磁性セクション１１０のダイポール１１５（右向きの矢印「→」で示す）と、第２の磁性セクション１２０のダイポール１２５（右向きの矢印「→」で示す）とは同じ向きである。そのため、第１の磁性セクション１１０および第２の磁性セクション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の磁性セクション１１０のダイポール１１５と、第２の磁性セクション１２０のダイポール１２５とが同じ向きであるとき、誘電体セクション１３０の電子のスピン方向は一方向を向くため電流リークが低減される。このように電流リークが低減されると、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。
図１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、ダイポールの方向がこの方向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の磁性セクション１１０および第２の磁性セクション１２０は、電源２６０に接続され、電気エネルギが電源２６０から誘電体セクション１３０に供給される。
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の磁性セクション１１０および第２の磁性セクション１２０は、負荷デバイス３７０に接続される。電気エネルギは、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１１０，１２０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、磁性セクション１１０，１２０の絶縁効率が良好ではない。そのため、電流は磁性セクションを通る。
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装置は、大きなアレイ状に配列されたデバイスを並列に配置し、さらに大きなエネルギを蓄積してもよい。さらに複数の装置を積層させ、図４に示すようにさらに大きなエネルギが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、４つの磁性セクション１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄおよび３つの誘電体セクション１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃが使用されている。この電気エネルギを蓄積する装置は、複数の磁性セクション１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄと、２つの隣接する磁性セクション間にそれぞれ配置された複数の誘電体セクション１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃとを有する。例えば、誘電体セクション１３０ａは、磁性セクション１１０ａと磁性セクション１１０ｂとの間に配置され、誘電体セクション１３０ｂは、磁性セクション１１０ｂと磁性セクション１１０ｃとの間に配置されている。誘電体セクション１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃは、電気エネルギを蓄積するために用いられ、ダイポール１１５ａ，１１５ｂ，１１５ｃ，１１５ｄをそれぞれに有する磁性セクション１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄ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、磁性セクション１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄのダイポール１１５ａ，１１５ｂ，１１５ｃ，１１５ｄは同じ向きである。
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、両端における磁性セクション１１０ａ，１１０ｄ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１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄ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。
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。 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。 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。 本発明のもう一つの実施形態による装置を示す模式図である。
符号の説明
１１０ 第１の磁性セクション
１１０ａ 磁性セクション
１１０ｂ 磁性セクション
１１０ｃ 磁性セクション
１１０ｄ 磁性セクション
１１５ ダイポール
１１５ａ ダイポール
１１５ｂ ダイポール
１１５ｃ ダイポール
１１５ｄ ダイポール
１２０ 第２の磁性セクション
１２５ ダイポール
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
１３０ｃ 誘電体セクション
１４０ 第１の金属デバイス
１５０ 第２の金属デバイス
２６０ 電源
３７０ 負荷デバイス

Claims (15)

  1. 第１の磁性セクションと、
    第２の磁性セクションと、
    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、ダイポールをそれぞれに有する前記第１の磁性セクションおよび前記第２の磁性セクションにより電流リークを防ぎ、
    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とが同じ向きであることを特徴とする電気エネルギを蓄積する装置。
  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請求項１に記載の電気エネルギを蓄積する装置。
  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請求項１に記載の電気エネルギを蓄積する装置。
  4. 前記第１の磁性セクションまたは前記第２の磁性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。
  5. 前記第１の磁性セクションに隣接して配置され、前記第１の磁性セクションの前記ダイポールを制御する第１の金属デバイスをさらに備え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。
  6. 前記第２の磁性セクションに隣接して配置され、前記第２の磁性セクションの前記ダイポールを制御する第２の金属デバイスをさらに備え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。
  7. 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の磁性セクションおよび前記第２の磁性セクション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。
  8. 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の磁性セクションおよび前記第２の磁性セクション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。
  9. 複数の磁性セクションと、
    ２つの隣接する前記磁性セクション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、ダイポールをそれぞれに有する前記磁性セクションにより電流リークを防ぎ、
    電気エネルギを蓄積するとき、前記磁性セクションの前記ダイポール同士が同じ向きであることを特徴とする電気エネルギを蓄積する装置。
  10. 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９に記載の電気エネルギを蓄積する装置。
  11. 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９に記載の電気エネルギを蓄積する装置。
  12. 前記磁性セクションは薄膜であることを特徴とする請求項９に記載の電気エネルギを蓄積する装置。
  13. 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請求項９に記載の電気エネルギを蓄積する装置。
  14. 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９に記載の電気エネルギを蓄積する装置。
  15. 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９に記載の電気エネルギを蓄積する装置。

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