JP6167731B2 - 振動発電デバイス - Google Patents

Description

本発明は、振動発電デバイスに関する。

近年、ＺｉｇＢｅｅをはじめとする低消費電力短距離無線通信技術の開発が進み、そのような短距離無線通信技術を使用したワイヤレスセンサネットワークが構築されるようになった。しかし、ワイヤレスセンサネットワークの電源として電池を使用すると、電池の寿命や廃棄時の環境負荷などの問題が発生する。そのため、熱、振動、光又は電波などの身の回りに存在する様々なエネルギーを収穫して電力に変換するエネルギーハーベスティング技術が注目されている。

エネルギーハーベスティング技術の一つとして、磁歪材料により形成された一対の梁と、梁の周囲に巻回されたコイルと、磁束を発生する磁石とを有する発電デバイスが提案されている。この種の発電デバイスでは、振動により梁が撓み、梁を通る磁束の密度が変化してコイルに電流が流れる。この電流をコイルから取り出して、電子機器を駆動するための電力とすることができる。

本願では、この種の振動により発電する発電デバイスを、振動発電デバイスと呼んでいる。従来、振動発電デバイスの発電能力を向上させるためには、梁を磁歪量が大きな材料により形成することが好ましいとされていた。そして、振動発電デバイスに好適な磁歪材料として、Galfenolと呼ばれるＦｅ（鉄）−Ｇａ（ガリウム）合金が開発されている。Galfenolの磁歪量は、３００ｐｐｍ程度である。

ＷＯ２０１１/１５８４７３ 特表２０１２−５１４７１０号公報 特開２００１−５９１３９号公報

振動により比較的大きな電力を発生でき、破損しにくく、長期間にわたる信頼性が高い振動発電デバイスを提供することを目的とする。

開示の技術の一観点によれば、制振合金により形成され、振動により湾曲する振動湾曲部と、前記振動湾曲部に磁場を印加する磁場印加部と、前記振動湾曲部の周囲に巻回されたコイルとを有する振動発電デバイスが提供される。

上記一観点に係る振動発電デバイスによれば、振動湾曲部が制振合金により形成されているので、破損しにくく、長期間にわたり高い信頼性を維持できる。

図１（ａ）は実施形態に係る振動発電デバイスの一例を示す正面図、図１（ｂ）は同じくその側面図、図１（ｃ）は図１（ｂ）中にＩ−Ｉ線で示す位置における断面図である。 図２は、支持体に取り付けられた発電デバイスを示す模式図である。 図３は、２つの振動発電デバイスの発電能力を調べた結果を示す図である。 図４（ａ）は、磁歪量が６０ｐｐｍのＦｅ−Ａｌ合金の表面の顕微鏡写真であり、図４（ｂ）は磁歪量が８０ｐｐｍのＦｅ−Ａｌ合金の表面の顕微鏡写真である。 図５（ａ）〜（ｃ）は、Galfenolのような単結晶の磁性材料からなる部材中の磁束密度の変化を示す模式図である。 図６（ａ）〜（ｃ）は、磁壁の移動により内部磁束密度が大きく変化する磁性材料からなる部材中の磁束密度の変化を示す模式図である。 図７は、Galfenol、Ｆｅ−Ａｌ合金、ＳＵＳ４３０、又はＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金により梁を形成した振動発電デバイスの起電力を調べた結果を示す図である。

以下、実施形態について説明する前に、実施形態の理解を容易にするための予備的事項について説明する。

前述したように、梁の材料としてGalfenolを使用することで、発電能力が大きい振動発電デバイスを作製できる。しかし、Galfenolは単結晶であり、切削加工は可能であるものの、延性や展性に乏しい。そのため、梁に加工する際に微細なひびや欠けが発生しやすく、振動を繰り返し受けることによりひびや欠けが拡大して最終的に梁が破損してしまうおそれがある。このため、梁の材料としてGalfenolを使用した振動発電デバイスでは、長期間にわたる信頼性が十分ではない。

以下の実施形態では、振動により比較的大きな電力を発生でき、破損しにくく、長期間にわたる信頼性が高い振動発電デバイスについて説明する。

（実施形態）
図１（ａ）は実施形態に係る振動発電デバイスの一例を示す正面図、図１（ｂ）は同じくその側面図、図１（ｃ）は図１（ｂ）中にＩ−Ｉ線で示す位置における断面図である。

図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、本実施形態に係る振動発電デバイス１０は、梁１１ａ，１１ｂと、コイル１２ａ，１２ｂと、連結ヨーク１３ａ，１３ｂと、永久磁石１４ａ，１４ｂと、バックヨーク１５とを有する。

梁１１ａ，１１ｂは、振動湾曲部の一例である。また、永久磁石１４ａ，１４ｂは、梁に磁場を印加する磁場印加部の一例である。

梁１１ａ，１１ｂはいずれも、応力が加えられると磁壁が移動する磁性材料により細長い薄板状に形成されている。本実施形態では、梁１１ａ，１１ｂが、Ｆｅ（鉄）−Ａｌ（アルミニウム）合金により形成されている。梁１１ａ，１１ｂの大きさは、例えば８．２ｍｍ（長さ）×１ｍｍ（幅）×０．２ｍｍ（厚さ）である。

梁１１ａ，１１ｂは、ＳＵＳ４３０及びＳＵＳ４０５等のフェライト系ステンレス鋼、又はＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金等により形成してもよい。

梁１１ａ，１１ｂは相互に対向して配置されており、梁１１ａ，１１ｂの周囲にはそれぞれコイル１２ａ，１２ｂが巻回されている。また、梁１１ａ，１１ｂの上部は連結ヨーク１３ａにより連結され、梁１１ａ，１１ｂの下部は連結ヨーク１３ｂにより連結されている。

梁１１ａ，１１ｂの連結ヨーク１３ａ側の端部には磁石１４ａのＮ極が接続され、連結ヨーク１３ｂ側の端部には磁石１４ｂのＳ極が接続されている。バックヨーク１５は鉄を主成分とする磁性材料により形成されており、磁石１４ａのＳ極と磁石１４ｂのＮ極との間を磁気的に接続している。これにより、磁石１４ａ、梁１１ａ，１１ｂ、磁石１４ｂ、バックヨーク１５を順に通る磁路が形成されている。

振動発電デバイス１０の連結ヨーク１３ａ，１３ｂのいずれか一方が支持体に固定される。ここでは、図２に示すように、連結ヨーク１３ａが支持体１９に固定され、連結ヨーク１３ｂ側がフリーであるとする。一般的に、支持体に固定される側を固定端、その反対側を可動端と呼んでいる。

振動発電デバイス１０に振動が加えられると、梁１１ａ，１１ｂが振動に応じて湾曲し、梁１１ａ，１１ｂを通る磁束の密度が変化する。これにより、コイル１２ａ，１２ｂには磁束密度の変化に応じた電流が流れる。この電流をコイル１２ａ，１２ｂから取り出して、電子機器を駆動するための電力とすることができる。

ところで、従来は、梁の磁歪量が大きいほど、振動発電デバイスの発電能力が大きくなると考えられていた。しかし、本願発明者らの実験・研究から、磁歪量が大きな梁よりも磁歪量が小さい梁のほうが発電能力が大きい場合があることが判明した。

図３は、横軸に時間をとり、縦軸に起電力をとって、加速度が１Ｇ、振動周波数が１５０Ｈｚの条件で２つの振動発電デバイスの発電能力を調べた結果を示す図である。

図３からわかるように、磁歪量が８０ｐｐｍのＦｅ−Ａｌ合金からなる梁を用いた振動発電デバイスよりも、磁歪量が６０ｐｐｍのＦｅ−Ａｌ合金からなる梁を用いた振動発電デバイスのほうが、発電能力が大きい。

図４（ａ）は、磁歪量が６０ｐｐｍのＦｅ−Ａｌ合金の表面の顕微鏡写真であり、図４（ｂ）は磁歪量が８０ｐｐｍのＦｅ−Ａｌ合金の表面の顕微鏡写真である。この図４（ａ），（ｂ）から、磁歪量が６０ｐｐｍのＦｅ−Ａｌ合金の結晶の平均粒径は１００μｍ程度であり、磁歪量が８０ｐｐｍのＦｅ−Ａｌ合金の結晶の平均粒径は２００μｍ程度であることがわかる。

一般的に、多結晶金属中の結晶粒界は磁壁が移動する際の妨げになると考えられることから、結晶粒径が大きくなるほど磁歪量が大きくなり、内部摩擦が増大するものと考えられている。そのため、従来は、振動発電デバイスの発電能力を向上させるために、結晶粒径が大きい磁性金属で梁を形成している。

図３に示すように梁の磁歪量が大きい振動発電デバイスよりも梁の磁歪量が小さい振動発電デバイスのほうが発電能力が大きくなる原因は明らかではない。しかし、Ｆｅ−Ａｌ合金の場合、磁歪量よりも磁壁の移動による磁束の変化のほうが、発電能力に与える影響が大きいと考えられる。

図５（ａ）〜（ｃ）は、Galfenolのような単結晶の磁性材料からなる部材中の磁束密度の変化を示す模式図である。図５（ａ）は外部磁場がないときの状態を示し、図５（ｂ）は外部磁場が印加された状態を示し、図５（ｃ）は外部磁場が印加された状態で外力が加えられた状態を示している。

図５（ａ）に示すように外部磁場がない状態では、部材２１中の磁気モーメントはランダムな方向を向いており、内部磁束密度Ｂは０である。

図５（ｂ）に示すように部材２１に外部磁場Ｈを印加すると、部材２１中の磁気モーメントは外部磁場の影響を受けて一定の方向に揃い、内部磁束密度Ｂは大きくなる。

そして、この状態で外力を加えると、図５（ｃ）に示すように部材２１中の磁気モーメントは方向を変えて安定し、内部磁束密度Ｂが変化する。

一方、図６（ａ）〜（ｃ）は、磁壁の移動により内部磁束密度が大きく変化する磁性材料からなる部材中の磁束密度の変化を示す模式図である。図６（ａ）は外部磁場がないときの状態を示し、図６（ｂ）は外部磁場が印加された状態を示し、図６（ｃ）は外部磁場が印加された状態で外力が加えられた状態を示している。

図６（ａ）のように、外部磁場がない状態では、部材２２中の磁区がバランスした状態を保ち、内部磁束密度は０である。

図６（ｂ）のように部材２２に外部磁場Ｈを印加すると、外部磁場Ｈの影響により部材２２中で磁壁が移動し、内部磁束密度Ｂが大きくなる。

この状態で外力を加えると、図６（ｃ）に示すように部材２２中の磁壁が応力に応じて移動し、内部磁束密度Ｂが変化する。

磁壁の移動により内部磁束密度が大きく変化する磁性金属として、振動エネルギーを熱エネルギーに変換する制振合金がある。また、この種の制振合金として、Ｆｅ−Ａｌ合金、ＳＵＳ４３０やＳＵＳ４０５等のフェライト系ステンレス鋼、及びＦｅーＣｒ−Ａｌ合金（サイレンタロイ：東芝製）が知られている。これらの制振合金は多結晶であり、加工性が比較的良好であって、加工時にひびや欠け等の欠損が発生しにくい。

本願発明者らは、梁材料としてこれらの制振合金を使用したところ、比較的大きな発電能力を備え、長期間にわたり高い信頼性を維持できる振動発電デバイスが得れることが判明した。

以下、振動発電デバイスの梁材料として好適な制振合金ついて説明する。

（Ｆｅ−Ａｌ合金）
制振合金として使用されるＦｅ−Ａｌ合金は、Ａｌ含有量が６ｗｔ％〜１０ｗｔ％であり、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。Ａｌ含有量が６ｗｔ％未満の場合、及びＡｌ含有量が１０ｗｔ％を超える場合は、いずれも内部摩擦が小さくなり制振性が低下する。その結果、十分な発電能力を得ることができない。

また、Ａｌ含有量が６ｗｔ％未満の場合は十分な強度を得ることが困難になり、Ａｌ含有量が１０ｗｔ％を超えると延性及び展性が低下する。

これらのことから、梁を形成するＦｅ−Ａｌ合金中のＡｌ含有量は、６ｗｔ％〜１０ｗｔ％とすることが好ましい。

また、Ｆｅ−Ａｌ合金の平均結晶粒径が１００μｍ未満の場合は、磁区が小さくなりすぎて平均磁場がキャンセルされやすい。一方、Ｆｅ−Ａｌ合金の平均結晶粒径が２５０μｍを超えると、磁壁の移動が起こりにくくなり、制振性が低下する。このため、Ｆｅ−Ａｌ合金の平均結晶粒径は、１００μｍ以上、且つ２５０μｍ以下であることが好ましい。

（ステンレス鋼）
制振合金として使用されるＳＵＳ４３０の組成は、Ｃｒ含有量が１６ｗｔ％〜１８ｗｔ％、残部がＦｅ及び不可避的不純物である。Ｃｒ含有量が上記の範囲から外れる場合は、十分な制振性を得ることができない。

また、制振合金として使用されるＳＵＳ４０５の組成は、Ｃｒ含有量が１１．５ｗｔ％〜１４．５ｗｔ％、Ａｌ含有量が０．１ｗｔ％〜０．３ｗｔ％、残部がＦｅ及び不可避的不純物である。Ｃｒ含有量及びＡｌ含有量が上記の範囲から外れる場合は、十分な制振性を得ることができない。

（Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金）
制振合金として使用されるＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金（サイレンタロイ）の組成は、Ｆｅ含有量が１２ｗｔ％、Ｃｒ含有量が１．３６ｗｔ％、残部がＡｌ及び不可避的不純物である。

図７は、横軸に時間をとり、縦軸に起電力をとって、Galfenol、Ｆｅ−Ａｌ合金、ＳＵＳ４３０、又はＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金により梁を形成した振動発電デバイスの起電力を調べた結果を示す図である。但し、加速度は１Ｇ、振動周波数は１４０Ｈｚ〜１５７Ｈｚである。

この図７に示すように、Ｆｅ−Ａｌ合金、ＳＵＳ４３０、又はＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金により梁を形成した振動発電デバイスはいずれも、Galfenolにより梁を形成した振動発電デバイスほどではないものの、比較的大きな起電力が得られた。

以上説明したように、本実施形態に係る振動発電デバイスは、振動により磁壁が大きく移動する制振合金を梁１１ａ，１１ｂの材料としている。そのため、加工性が良好であり、長期間にわたって良好な信頼性を確保でき、発電能力も比較的高い。

以上の諸実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。

（付記１）制振合金により形成され、振動により湾曲する振動湾曲部と、
前記振動湾曲部に磁場を印加する磁場印加部と、
前記振動湾曲部の周囲に巻回されたコイルと
を有することを特徴とする振動発電デバイス。

（付記２）前記振動湾曲部が、相互に対向して配置された板状の第１の梁と第２の梁とを有することを特徴とする付記１に記載の振動発電デバイス。

（付記３）前記制振合金が、応力が加えられると磁壁が移動して内部磁束密度が変化する性質を有することを特徴とする付記１又は２に記載の振動発電デバイス。

（付記４）前記制振合金が、Ｆｅ−Ａｌ合金、フェライト系ステンレス鋼、及びＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金のいずれかであることを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載の振動発電デバイス。

（付記５）前記制振合金が、Ａｌ含有量が６ｗｔ％〜１０ｗｔ％であり、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載の振動発電デバイス。

（付記６）前記制振合金の平均結晶粒径が、１００μｍ以上、且つ２５０μｍ以下であることを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載の振動発電デバイス。

（付記７）前記制振合金が、Ｃｒ含有量が１６ｗｔ％〜１８ｗｔ％、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなるステンレス鋼であることを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載の振動発電デバイス。

（付記８）前記制振合金が、Ｃｒ含有量が１１．５ｗｔ％〜１４．５ｗｔ％、Ａｌ含有量が０．１ｗｔ％〜０．３ｗｔ％、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなるステンレス鋼であることを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載の振動発電デバイス。

（付記９）前記制振合金が、Ｆｅ含有量が１２ｗｔ％、Ｃｒ含有量が１．３６ｗｔ％、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなることを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載の振動発電デバイス。

１０…振動発電デバイス、１１ａ，１１ｂ…梁、１２ａ，１２ｂ…コイル、１３ａ，１３ｂ…連結ヨーク、１４ａ，１４ｂ…永久磁石、１５…バックヨーク、１９…支持体。

Claims (5)

1. 制振合金により形成され、振動により湾曲する振動湾曲部と、
   前記振動湾曲部に磁場を印加する磁場印加部と、
   前記振動湾曲部の周囲に巻回されたコイルと
   を有することを特徴とする振動発電デバイス。
2. 前記振動湾曲部が、相互に対向して配置された板状の第１の梁と第２の梁とを有することを特徴とする請求項１に記載の振動発電デバイス。
3. 前記制振合金が、応力が加えられると磁壁が移動して内部磁束密度が変化する性質を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の振動発電デバイス。
4. 前記制振合金が、Ｆｅ−Ａｌ合金、フェライト系ステンレス鋼、及びＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の振動発電デバイス。
5. 前記制振合金の平均結晶粒径が、１００μｍ以上、且つ２５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の振動発電デバイス。

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