JP7285424B2 - 振動発電デバイスの製造方法及び磁歪部品の製造方法 - Google Patents
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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。
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１，２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。
この種の振動発電デバイスとしては例えば特許文献１，２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。
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。
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。
このような状況を踏まえ、磁歪材料からな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。
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。
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。
このような状況を踏まえ、磁歪材料からな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。
本発明が解決しようとする技術的課題は、磁歪材料の配向性及び分散の均一性に優れた磁歪部品を含む振動発電デバイスの製造方法を提供することにある。
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、磁歪材料からなる単結晶又は多結晶を育成する育成工程と、前記育成工程にて育成された単結晶又は多結晶から円形状結晶材を切り出し加工し、スパッタ用ターゲットを作製するターゲット作製工程と、前記ターゲット作製工程にて作製されたスパッタ用ターゲットを用いてスパッタリングを実施し、基材の表面にスパッタ膜を成膜する成膜工程と、を経て作製され、しかる後、前記磁歪部品が前記被振動体に設置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。
本発明の第２の技術的特徴は、第１の技術的特徴備えた振動発電デバイスの製造方法において、前記育成工程は、チョクラルスキー法、垂直ブリッジマン法又はフローティングゾーン法のいずれかを用いた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、前記磁歪材料は、Ｆｅ－Ｇａ、Ｆｅ－Ｃｏ、Ｆｅ－Ｄｙ－Ｔｂのいずれか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、前記スパッタ膜は５ないし１００μｍの厚さに成膜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。
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、前記成膜工程は、前記スパッタ膜を成膜する前に、当該スパッタ膜の下地として、前記スパッタ膜の磁歪定数が大きくなる配向特性を持つ補助膜を成膜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５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、前記スパッタ膜の配向は方向指数が〔００１〕であり、前記補助膜の配向は方向指数が〔１００〕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、前記磁歪部品の基材は、金属又は樹脂製の弾性を有する板材にて構成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、前記育成工程又は前記成膜工程の少なくともいずれかには予め決められた温度及び時間条件で熱処理するアニール処理を含む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、前記磁歪材料は、Ｆｅ－Ｇａ、Ｆｅ－Ｃｏ、Ｆｅ－Ｄｙ－Ｔｂのいずれか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、前記スパッタ膜は５ないし１００μｍの厚さに成膜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。
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、前記成膜工程は、前記スパッタ膜を成膜する前に、当該スパッタ膜の下地として、前記スパッタ膜の磁歪定数が大きくなる配向特性を持つ補助膜を成膜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５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、前記スパッタ膜の配向は方向指数が〔００１〕であり、前記補助膜の配向は方向指数が〔１００〕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、前記磁歪部品の基材は、金属又は樹脂製の弾性を有する板材にて構成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、前記育成工程又は前記成膜工程の少なくともいずれかには予め決められた温度及び時間条件で熱処理するアニール処理を含む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９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に用いられる前記磁歪部品を製造するに際し、前記被振動体に設置される前に作製されるものであって、磁歪材料からなる単結晶又は多結晶を育成する育成工程と、前記育成工程にて育成された単結晶又は多結晶から円形状結晶材を切り出し加工し、スパッタ用ターゲットを作製するターゲット作製工程と、前記ターゲット作製工程にて作製されたスパッタ用ターゲットを用いてスパッタリングを実施し、基材の表面にスパッタ膜を成膜する成膜工程と、を経て作製されることを特徴とする磁歪部品の製造方法である。
本発明の第１の技術的特徴によれば、磁歪材料の配向性及び分散の均一性に優れた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２の技術的特徴によれば、磁歪材料が略均一に分散する単結晶又は多結晶を容易に育成す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３の技術的特徴によれば、磁歪定数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４の技術的特徴によれば、スパッタ膜の厚さが最適化された発電効率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５の技術的特徴によれば、補助膜を有しない場合に比べて、スパッタ膜の磁歪定数を高めた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、方向指数が〔００１〕であるスパッタ膜の磁歪定数を高めた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、被振動体からの振動を磁歪部品に伝搬し易くする振動発電デバイスを提供することができる。
本発明の第８の技術的特徴によれば、アニール処理を含まない場合に比べて、磁歪材料の結晶性を向上させた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９の技術的特徴によれば、磁歪材料の配向性及び分散の均一性に優れた磁歪部品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、磁歪材料が略均一に分散する単結晶又は多結晶を容易に育成す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３の技術的特徴によれば、磁歪定数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４の技術的特徴によれば、スパッタ膜の厚さが最適化された発電効率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５の技術的特徴によれば、補助膜を有しない場合に比べて、スパッタ膜の磁歪定数を高めた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、方向指数が〔００１〕であるスパッタ膜の磁歪定数を高めた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、被振動体からの振動を磁歪部品に伝搬し易くする振動発電デバイスを提供することができる。
本発明の第８の技術的特徴によれば、アニール処理を含まない場合に比べて、磁歪材料の結晶性を向上させた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９の技術的特徴によれば、磁歪材料の配向性及び分散の均一性に優れた磁歪部品を提供することができる。
◎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、磁歪材料からなる単結晶又は多結晶１２を育成する育成工程１１と、育成工程１１にて育成された単結晶又は多結晶１２から円形状結晶材を切り出し加工し、スパッタ用ターゲット１４を作製するターゲット作製工程１３と、ターゲット作製工程１３にて作製されたスパッタ用ターゲット１４を用いてスパッタリングを実施し、基材５ａの表面にスパッタ膜５ｃを成膜する成膜工程１５と、を経て作製され、しかる後、磁歪部品が被振動体に設置されるものである。尚、図１（ｃ）において、符号１６はスパッタリングを実施するスパッタ装置である。
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、磁歪材料からなる単結晶又は多結晶１２を育成する育成工程１１と、育成工程１１にて育成された単結晶又は多結晶１２から円形状結晶材を切り出し加工し、スパッタ用ターゲット１４を作製するターゲット作製工程１３と、ターゲット作製工程１３にて作製されたスパッタ用ターゲット１４を用いてスパッタリングを実施し、基材５ａの表面にスパッタ膜５ｃを成膜する成膜工程１５と、を経て作製され、しかる後、磁歪部品が被振動体に設置されるものである。尚、図１（ｃ）において、符号１６はスパッタリングを実施するスパッタ装置である。
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の基本的な構造としては、基材５ａの表面に所定のスパッタ膜５ｃを有する態様であればよい。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の製造工程としては、育成工程１１、ターゲット作製工程１３及び成膜工程１５が必要になる。このとき、スパッタ用ターゲット１４としてはスパッタリング可能なものを広く含むが、単結晶又は多結晶１２のインゴットから円形状結晶材に加工し、この裏に支持プレート（図示せず）を付す態様が無駄を少なくする点で好ましい。
また、磁歪部品５の製造工程としては、育成工程１１、ターゲット作製工程１３及び成膜工程１５が必要になる。このとき、スパッタ用ターゲット１４としてはスパッタリング可能なものを広く含むが、単結晶又は多結晶１２のインゴットから円形状結晶材に加工し、この裏に支持プレート（図示せず）を付す態様が無駄を少なくする点で好ましい。
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、育成工程１１の代表的態様としては、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）のいずれかを用いることが挙げられる。
また、磁歪材料の好ましい態様としては、Ｆｅ－Ｇａ、Ｆｅ－Ｃｏ、Ｆｅ－Ｄｙ－Ｔｂのいずれかであることが挙げられる。本例は、高い磁歪定数を持つ磁歪材料を例示した物である。
先ず、育成工程１１の代表的態様としては、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）のいずれかを用いることが挙げられる。
また、磁歪材料の好ましい態様としては、Ｆｅ－Ｇａ、Ｆｅ－Ｃｏ、Ｆｅ－Ｄｙ－Ｔｂのいずれかであることが挙げられる。本例は、高い磁歪定数を持つ磁歪材料を例示した物である。
更に、スパッタ膜５ｃの好ましい厚さとしては、５ないし１００μｍの厚さに成膜されることが挙げられる。本例では、スパッタ膜５ｃの厚さが５μｍ未満では磁歪定数が小さく発電電圧が発生し難いし、また、１００μｍを超えると、発電電圧は飽和することによる。
更にまた、スパッタ膜５ｃの好ましい態様としては、成膜工程は、スパッタ膜５ｃを成膜する前に、当該スパッタ膜５ｃの下地として、スパッタ膜５ｃの磁歪定数が大きくなる配向特性を持つ補助膜５ｂを成膜する態様か挙げられる。本例は、基材５ａ上に補助膜５ｂ、スパッタ膜５ｃの順に成膜する態様である。
ここで、補助膜５ｂとしては方向指数が〔１００〕に配向されたものが好ましいが、この方位が多い多結晶のものでもよい。
特に、スパッタ膜５ｃの好ましい態様の具体例としては、スパッタ膜５ｃの配向は方向指数が〔００１〕であり、補助膜５ｂの配向は方向指数が〔１００〕である態様が挙げられる。本例は、スパッタ膜の方向指数が〔００１〕、補助膜の方向指数が〔１００〕であると、配向性の高い補助膜５ｂに影響を受けてスパッタ膜５ｃの配向性が向上することを示す。また、補助膜の好ましい態様としては、〔１００〕配向を持つＳｉやＭｇＯ膜を成膜することが挙げられる。
更にまた、スパッタ膜５ｃの好ましい態様としては、成膜工程は、スパッタ膜５ｃを成膜する前に、当該スパッタ膜５ｃの下地として、スパッタ膜５ｃの磁歪定数が大きくなる配向特性を持つ補助膜５ｂを成膜する態様か挙げられる。本例は、基材５ａ上に補助膜５ｂ、スパッタ膜５ｃの順に成膜する態様である。
ここで、補助膜５ｂとしては方向指数が〔１００〕に配向されたものが好ましいが、この方位が多い多結晶のものでもよい。
特に、スパッタ膜５ｃの好ましい態様の具体例としては、スパッタ膜５ｃの配向は方向指数が〔００１〕であり、補助膜５ｂの配向は方向指数が〔１００〕である態様が挙げられる。本例は、スパッタ膜の方向指数が〔００１〕、補助膜の方向指数が〔１００〕であると、配向性の高い補助膜５ｂに影響を受けてスパッタ膜５ｃの配向性が向上することを示す。また、補助膜の好ましい態様としては、〔１００〕配向を持つＳｉやＭｇＯ膜を成膜することが挙げられる。
また、磁歪部品５の基材５ａの代表的態様としては、金属又は樹脂製の弾性を有する板材にて構成されている態様が挙げられる。本例は、被振動体２に磁歪部品５を設ける際に、被振動体２の振動が磁歪部品５に伝搬し易くする態様である。
更に、磁歪部品５の製造工程のうち、育成工程１１又は成膜工程１５の好ましい態様としては、少なくともいずれかには予め決められた温度及び時間条件で熱処理するアニール処理を含むことが挙げられる。本例は、育成工程１１または成膜工程１５で熱処理（アニール処理）を含み、これにより結晶性を向上（結晶内の歪みを取り応力を緩和することで配向性が向上）させる態様である。
更に、磁歪部品５の製造工程のうち、育成工程１１又は成膜工程１５の好ましい態様としては、少なくともいずれかには予め決められた温度及び時間条件で熱処理するアニール処理を含むことが挙げられる。本例は、育成工程１１または成膜工程１５で熱処理（アニール処理）を含み、これにより結晶性を向上（結晶内の歪みを取り応力を緩和することで配向性が向上）させる態様である。
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、被振動体２に設置される前に作製されるものであって、磁歪材料からなる単結晶又は多結晶１２を育成する育成工程１１と、育成工程１１にて育成された単結晶又は多結晶１２から円形状結晶材を切り出し加工し、スパッタ用ターゲット１４を作製するターゲット作製工程１３と、ターゲット作製工程１３にて作製されたスパッタ用ターゲット１４を用いてスパッタリングを実施し、基材５ａの表面にスパッタ膜５ｃを成膜する成膜工程１５と、を経て作製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５にも権利の効力を及ぼす上で有効である。
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、被振動体２に設置される前に作製されるものであって、磁歪材料からなる単結晶又は多結晶１２を育成する育成工程１１と、育成工程１１にて育成された単結晶又は多結晶１２から円形状結晶材を切り出し加工し、スパッタ用ターゲット１４を作製するターゲット作製工程１３と、ターゲット作製工程１３にて作製されたスパッタ用ターゲット１４を用いてスパッタリングを実施し、基材５ａの表面にスパッタ膜５ｃを成膜する成膜工程１５と、を経て作製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５にも権利の効力を及ぼす上で有効である。
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。
◎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。
＜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。
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。
＜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。
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。
＜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。
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。
－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。
＜育成工程＞
本例では、所謂チョコラルスキー法を用いて磁歪材料からなる単結晶Ｚを育成する。
具体的には、図３（ａ）に示すように、例えばＦｅ－Ｇａ、Ｆｅ－Ｃｏ、Ｆｅ－Ｄｙ－Ｔｂのいずれかである磁歪材料からなる原料Ｍをルツボ７０に投入した後に、高周波コイル７１にてルツボ７０を高周波誘導加熱してルツボ７０内の原料を熔解状態に保ち、その後、ルツボ７０の上方側に設置された昇降可能な引上げ軸７２の先端に種結晶（図示せず）を取付け、引き上げ軸７２を効果させてルツボ７０内の熔解した原料に種結晶を接触させ、ルツボ７０内の原料温度を調整しつつ、種結晶を回転させながら引上げ軸７２を徐々に上昇させる操作を行うことでインゴット状の単結晶Ｚを育成するようにすればよい。
ここで、磁歪材料としては、いずれも磁歪定数が大きく、微弱な振動でも発電する点で好ましいが、Ｆｅ－Ｄｙ－Ｔｂは磁歪定数は一番高いものの、非常に堅く加工が難しいのに対し、Ｆｅ－Ｇａ、Ｆｅ－ＣｏはＦｅを７０～８０％含んでおり、硬度がＦｅに近いため加工性はＦｅ－Ｄｙ－Ｔｂに比べて容易である。
尚、本例では、チョコラルスキー法を用いて単結晶Ｚを育成するようにしているが、垂直ブリッジマン法やフローティングゾーン法を採用してもよいことは勿論である。また、単結晶Ｚの方が磁歪定数は大きいが、多結晶を育成するようにしてもよい。
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。
＜育成工程＞
本例では、所謂チョコラルスキー法を用いて磁歪材料からなる単結晶Ｚを育成する。
具体的には、図３（ａ）に示すように、例えばＦｅ－Ｇａ、Ｆｅ－Ｃｏ、Ｆｅ－Ｄｙ－Ｔｂのいずれかである磁歪材料からなる原料Ｍをルツボ７０に投入した後に、高周波コイル７１にてルツボ７０を高周波誘導加熱してルツボ７０内の原料を熔解状態に保ち、その後、ルツボ７０の上方側に設置された昇降可能な引上げ軸７２の先端に種結晶（図示せず）を取付け、引き上げ軸７２を効果させてルツボ７０内の熔解した原料に種結晶を接触させ、ルツボ７０内の原料温度を調整しつつ、種結晶を回転させながら引上げ軸７２を徐々に上昇させる操作を行うことでインゴット状の単結晶Ｚを育成するようにすればよい。
ここで、磁歪材料としては、いずれも磁歪定数が大きく、微弱な振動でも発電する点で好ましいが、Ｆｅ－Ｄｙ－Ｔｂは磁歪定数は一番高いものの、非常に堅く加工が難しいのに対し、Ｆｅ－Ｇａ、Ｆｅ－ＣｏはＦｅを７０～８０％含んでおり、硬度がＦｅに近いため加工性はＦｅ－Ｄｙ－Ｔｂに比べて容易である。
尚、本例では、チョコラルスキー法を用いて単結晶Ｚを育成するようにしているが、垂直ブリッジマン法やフローティングゾーン法を採用してもよいことは勿論である。また、単結晶Ｚの方が磁歪定数は大きいが、多結晶を育成するようにしてもよい。
＜ターゲット作製工程＞
次いで、図３（ｂ）に示すように、インゴット状の単結晶Ｚからスパッタ用ターゲット１４を作製する。
本例では、インゴット状の単結晶Ｚの円柱部分Ｚａから円板状のターゲット材８１を切り出し加工し、当該ターゲット材８１の裏面に背面プレート８２を付けてスパッタリングが可能なスパッタ用ターゲット１４として製作する。
このため、従前の方式（インゴット状の単結晶から短冊状の磁歪結晶を切り出す方式）では、切り出し時に切りくずが発生したり、インゴット状の単結晶の円柱部分の多くが無駄になったり、更には、磁歪結晶は脆いために機械加工が難しく放電加工が用いられ、その分、磁歪結晶の加工費が嵩む原因になっていたが、これらの不具合を改善することが可能である。
次いで、図３（ｂ）に示すように、インゴット状の単結晶Ｚからスパッタ用ターゲット１４を作製する。
本例では、インゴット状の単結晶Ｚの円柱部分Ｚａから円板状のターゲット材８１を切り出し加工し、当該ターゲット材８１の裏面に背面プレート８２を付けてスパッタリングが可能なスパッタ用ターゲット１４として製作する。
このため、従前の方式（インゴット状の単結晶から短冊状の磁歪結晶を切り出す方式）では、切り出し時に切りくずが発生したり、インゴット状の単結晶の円柱部分の多くが無駄になったり、更には、磁歪結晶は脆いために機械加工が難しく放電加工が用いられ、その分、磁歪結晶の加工費が嵩む原因になっていたが、これらの不具合を改善することが可能である。
＜成膜工程＞
次いで、図３（ｃ）に示すように、スパッタ装置１６にスパッタ用ターゲット１４を設置した後、磁歪部品５の基材５ａとなる基材プレートに対してスパッタリングを実施し、基材５ａの表面に所定厚のスパッタ膜５ｃを成膜する。
ここで、基材５ａとしては、金属又は樹脂製の弾性を有する板材が用いられる。
本例において、スパッタ装置１６としては、マグネトロンスパッタ装置やイオンピームスパッタ装置など適宜選定して差し支えなく、磁歪材料がＦｅ－Ｇａ又はＦｅ－Ｃｏであるのであれば、スパッタ用ターゲット１４はＦｅが７０～８０％含むために導電性があり、電源としてはＤＣ電源あるいはＲＦ電源のいずれを持つものでも差し支えない。また、スパッタ膜５ｃの成膜時にはアルゴンガス雰囲気で行うようにすればよい。
また、本例では、スパッタ膜５ｃの厚さｔ１は５μｍ以上１００μｍ以下になるように選定されていればよい。仮に、５μｍ未満では磁歪定数が小さく発電電圧が発生しない懸念があり、また、厚くなるに従って発生電圧は上昇する傾向にあるが、１００μｍを超えると飽和する傾向が見られる。
次いで、図３（ｃ）に示すように、スパッタ装置１６にスパッタ用ターゲット１４を設置した後、磁歪部品５の基材５ａとなる基材プレートに対してスパッタリングを実施し、基材５ａの表面に所定厚のスパッタ膜５ｃを成膜する。
ここで、基材５ａとしては、金属又は樹脂製の弾性を有する板材が用いられる。
本例において、スパッタ装置１６としては、マグネトロンスパッタ装置やイオンピームスパッタ装置など適宜選定して差し支えなく、磁歪材料がＦｅ－Ｇａ又はＦｅ－Ｃｏであるのであれば、スパッタ用ターゲット１４はＦｅが７０～８０％含むために導電性があり、電源としてはＤＣ電源あるいはＲＦ電源のいずれを持つものでも差し支えない。また、スパッタ膜５ｃの成膜時にはアルゴンガス雰囲気で行うようにすればよい。
また、本例では、スパッタ膜５ｃの厚さｔ１は５μｍ以上１００μｍ以下になるように選定されていればよい。仮に、５μｍ未満では磁歪定数が小さく発電電圧が発生しない懸念があり、また、厚くなるに従って発生電圧は上昇する傾向にあるが、１００μｍを超えると飽和する傾向が見られる。
更に、本例では、図２（ｂ）に示すように、スパッタ膜５ｃの下地として、磁歪材料とは異なる補助膜５ｂが例えばスパッタ装置によるスパッタリングを実施することで成膜されている。
ここで、スパッタ膜５ｃの配向は方向指数〔００１〕であり、補助膜５ｂの配向は方向指数〔１００〕であるものが好ましく、例えばＳｉやＭｇＯ膜が採用されている。このような補助膜５ｂをスパッタ膜５ｃの下地とする態様では、補助膜５ｂを用いない場合に比べて、磁歪材料からなるスパッタ膜５ｃの配向性がより向上する傾向があることが確認されている。尚、補助膜５ｂの厚さｔ２は適宜選定して差し支えないが、その上に形成するスパッタ膜５ｃの配向を誘導するために形成するという理由からすれば、厚くする必要はなく５～１００ｎｍ程度が好ましい。
更に、本例では、磁歪部品５のスパッタ膜５ｃの結晶性を向上させるには熱処理であるアニール処理が有効である。このアニール処理は、育成工程又は成膜工程で合わせて実施するようにすればよく、例えば１００～３００℃の温度で１～４時間程度熱処理することで、単結晶内あるいはスパッタ膜５ｃ内の歪みがとれ、その分、結晶内の応力が緩和されて配向性が向上するものと推測される。
ここで、スパッタ膜５ｃの配向は方向指数〔００１〕であり、補助膜５ｂの配向は方向指数〔１００〕であるものが好ましく、例えばＳｉやＭｇＯ膜が採用されている。このような補助膜５ｂをスパッタ膜５ｃの下地とする態様では、補助膜５ｂを用いない場合に比べて、磁歪材料からなるスパッタ膜５ｃの配向性がより向上する傾向があることが確認されている。尚、補助膜５ｂの厚さｔ２は適宜選定して差し支えないが、その上に形成するスパッタ膜５ｃの配向を誘導するために形成するという理由からすれば、厚くする必要はなく５～１００ｎｍ程度が好ましい。
更に、本例では、磁歪部品５のスパッタ膜５ｃの結晶性を向上させるには熱処理であるアニール処理が有効である。このアニール処理は、育成工程又は成膜工程で合わせて実施するようにすればよく、例えば１００～３００℃の温度で１～４時間程度熱処理することで、単結晶内あるいはスパッタ膜５ｃ内の歪みがとれ、その分、結晶内の応力が緩和されて配向性が向上するものと推測される。
このような成膜工程では、磁歪部品５のスパッタ膜５ｃはスパッタ用ターゲット１４を用いて成膜されているため、磁歪部品５のスパッタ膜５ｃは均等な特性になり、磁歪材料の配向性や分散の均一性に優れたものが量産可能である。
このため、従前の方式のように、加工費が不必要に嵩むこともなく、品質の良い磁歪部品５が大量に製造可能になる。
尚、スパッタ膜５ｃは基材５ａの形状に合わせて成膜されるので、両面成膜や表、裏の膜厚を変化させて振動源に合わせた圧縮、引っ張りが両立する膜設計を行うことも可能である。また、支持フレーム２０に対して磁歪部品５の設置面積を多く確保するようにすれば、その分、磁歪部品５からの発電量を増すことも可能である。
このため、従前の方式のように、加工費が不必要に嵩むこともなく、品質の良い磁歪部品５が大量に製造可能になる。
尚、スパッタ膜５ｃは基材５ａの形状に合わせて成膜されるので、両面成膜や表、裏の膜厚を変化させて振動源に合わせた圧縮、引っ張りが両立する膜設計を行うことも可能である。また、支持フレーム２０に対して磁歪部品５の設置面積を多く確保するようにすれば、その分、磁歪部品５からの発電量を増すことも可能である。
－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のスパッタ膜５ｃの磁歪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からの発電出力として高いものが得られる。
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のスパッタ膜５ｃの磁歪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からの発電出力として高いものが得られる。
◎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。
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。
◎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。
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。
◎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。
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。
◎実施例１
育成工程としては、ＶＢ法（垂直ブリッジマン法）で２インチ径、長さ２５ｍｍのＦｅ－Ｇａ単結晶を育成した。
ワイヤーソーで厚さ１０ｍｍに切断し、表面を表面粗さＲａ1μｍに研磨した。それを２インチ径の銅のバッキングプレートにインジウムを用い溶かして接合した。
次にＭｇＯとＦｅ－Ｇａ単結晶ターゲットをDCマグネトロンスパッタ装置（芝浦製作所製、型式ＣＦＳ－４ＥＳ）にセットした。３インチ径のＭｇＯターゲットと２インチ径のＦｅ－Ｇａターゲットを装着し、また成膜するアルミ板（２×１０×０．５ｍｍ）６枚を取り付けた。スパッタリングターゲットとＡｌ板の距離は１００ｍｍとした。最初に基板温度を１５０℃に加熱しながら、反応性ガスとしてアルゴンガス－酸素の混合ガスを供給（アルゴンガスの流量は１５ｓｃｃｍ、酸素の流量は１０ｓｃｃｍ）しながらＭｇＯ膜を２０ｎｍ厚さまで成膜した。続いてＦｅ－Ｇａをアルゴンガスのみでスパッタして、膜厚１．３μｍ成膜した。
スパッタ時の到達真空度はそれぞれ６．５×１０－３Ｐａで、ガス導入後の真空度は３×１０－１Ｐａ、スパッタ出力は２００Ｗで、ＭｇＯの成膜時間は５分、Ｆｅ－Ｇａの成膜時間は３５分であった。
得られたＦｅ－Ｇａ膜の結晶性をＸ線回折（ＸＲＤ）により半値幅を測定したところ、１４．４°で、（００１）配向が認められた。
この材料を用いて図に示すＳＵＳのフレームに固定し、その上から径０．３ｍｍの銅線を２０００回転巻いた。磁場は小型のネオジム磁石を置いた。
先端に錘１ｇ乗せて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０．２５Ｖを発生した。
育成工程としては、ＶＢ法（垂直ブリッジマン法）で２インチ径、長さ２５ｍｍのＦｅ－Ｇａ単結晶を育成した。
ワイヤーソーで厚さ１０ｍｍに切断し、表面を表面粗さＲａ1μｍに研磨した。それを２インチ径の銅のバッキングプレートにインジウムを用い溶かして接合した。
次にＭｇＯとＦｅ－Ｇａ単結晶ターゲットをDCマグネトロンスパッタ装置（芝浦製作所製、型式ＣＦＳ－４ＥＳ）にセットした。３インチ径のＭｇＯターゲットと２インチ径のＦｅ－Ｇａターゲットを装着し、また成膜するアルミ板（２×１０×０．５ｍｍ）６枚を取り付けた。スパッタリングターゲットとＡｌ板の距離は１００ｍｍとした。最初に基板温度を１５０℃に加熱しながら、反応性ガスとしてアルゴンガス－酸素の混合ガスを供給（アルゴンガスの流量は１５ｓｃｃｍ、酸素の流量は１０ｓｃｃｍ）しながらＭｇＯ膜を２０ｎｍ厚さまで成膜した。続いてＦｅ－Ｇａをアルゴンガスのみでスパッタして、膜厚１．３μｍ成膜した。
スパッタ時の到達真空度はそれぞれ６．５×１０－３Ｐａで、ガス導入後の真空度は３×１０－１Ｐａ、スパッタ出力は２００Ｗで、ＭｇＯの成膜時間は５分、Ｆｅ－Ｇａの成膜時間は３５分であった。
得られたＦｅ－Ｇａ膜の結晶性をＸ線回折（ＸＲＤ）により半値幅を測定したところ、１４．４°で、（００１）配向が認められた。
この材料を用いて図に示すＳＵＳのフレームに固定し、その上から径０．３ｍｍの銅線を２０００回転巻いた。磁場は小型のネオジム磁石を置いた。
先端に錘１ｇ乗せて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０．２５Ｖを発生した。
◎実施例２
実施例１と同じ基板とスパッタ装置を用いて、ターゲットにＭｇＯの代わりにＳｉ、Ｆｅ－Ｇａの代わりにＦｅ－Ｃｏを用いスパッタリング条件の基板加熱温度を２００℃とした以外は実施例１と同じ条件で圧電体複合基板を作製した。
得られたＦｅ－Ｃｏ薄膜の結晶性をＸ線回折（ＸＲＤ）により半値幅を測定したところ、１８．４°で、（００１）配向が認められた。
この材料を用いてＳＵＳのフレームに固定しその上から径０．３ｍｍの銅線を２０００回転巻いた。
バイアス磁場は小型のネオジム磁石を置いて発生させた。
先端に錘１ｇ乗せて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０．２Ｖを発生した。
実施例１と同じ基板とスパッタ装置を用いて、ターゲットにＭｇＯの代わりにＳｉ、Ｆｅ－Ｇａの代わりにＦｅ－Ｃｏを用いスパッタリング条件の基板加熱温度を２００℃とした以外は実施例１と同じ条件で圧電体複合基板を作製した。
得られたＦｅ－Ｃｏ薄膜の結晶性をＸ線回折（ＸＲＤ）により半値幅を測定したところ、１８．４°で、（００１）配向が認められた。
この材料を用いてＳＵＳのフレームに固定しその上から径０．３ｍｍの銅線を２０００回転巻いた。
バイアス磁場は小型のネオジム磁石を置いて発生させた。
先端に錘１ｇ乗せて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０．２Ｖを発生した。
◎実施例３
実施例１と同じ基板とスパッタ装置を用いて、ターゲットにＭｇＯの代わりにＳｉ、Ｆｅ－Ｇａの代わりにＦｅ－Ｄｙ－Ｔｂを用いスパッタリング条件の基板加熱温度を２００℃とした以外は実施例１と同じ条件で圧電体複合基板を作製した。
得られたＦｅ－Ｄｙ－Ｔｂ薄膜の結晶性をＸ線回折（ＸＲＤ）により半値幅を測定したところ、１６．４°で、（００１）配向が認められた。
この材料を用いてＳＵＳのフレームに固定しその上から径０．３ｍｍの銅線を２０００回転巻いた。
バイアス磁場は小型のネオジム磁石を置いて発生させた。
先端に錘１ｇ乗せて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０．６Ｖを発生した。
実施例１と同じ基板とスパッタ装置を用いて、ターゲットにＭｇＯの代わりにＳｉ、Ｆｅ－Ｇａの代わりにＦｅ－Ｄｙ－Ｔｂを用いスパッタリング条件の基板加熱温度を２００℃とした以外は実施例１と同じ条件で圧電体複合基板を作製した。
得られたＦｅ－Ｄｙ－Ｔｂ薄膜の結晶性をＸ線回折（ＸＲＤ）により半値幅を測定したところ、１６．４°で、（００１）配向が認められた。
この材料を用いてＳＵＳのフレームに固定しその上から径０．３ｍｍの銅線を２０００回転巻いた。
バイアス磁場は小型のネオジム磁石を置いて発生させた。
先端に錘１ｇ乗せて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０．６Ｖを発生した。
◎比較例１
Ｆｅ－Ｇａの結晶を長さ１０×幅２×厚さ０．５ｍｍのサイズに放電加工した加工費が￥２，０００であった。
Ｆｅ－Ｇａの結晶を長さ１０×幅２×厚さ０．５ｍｍのサイズに放電加工した加工費が￥２，０００であった。
本発明に係る振動発電デバイスは、磁歪材料の配向性及び分散の均一性に優れた量産性の高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。
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
５ａ 基材
５ｂ 補助膜
５ｃ スパッタ膜
６ コイル
１１ 育成工程
１２ 単結晶又は多結晶
１３ ターゲット作成工程
１４ スパッタ用ターゲット
１５ 成膜工程
１６ スパッタ装置
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
７０ ルツボ
７１ 高周波コイル
７２ 引上げ軸
８１ ターゲット材
８２ 背面プレート
Ｚ インゴット状の単結晶
Ｚａ 円柱部分
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
２ 被振動体
３ 振動源
４ 磁場作用手段
５ 磁歪部品
５ａ 基材
５ｂ 補助膜
５ｃ スパッタ膜
６ コイル
１１ 育成工程
１２ 単結晶又は多結晶
１３ ターゲット作成工程
１４ スパッタ用ターゲット
１５ 成膜工程
１６ スパッタ装置
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
７０ ルツボ
７１ 高周波コイル
７２ 引上げ軸
８１ ターゲット材
８２ 背面プレート
Ｚ インゴット状の単結晶
Ｚａ 円柱部分
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
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、
磁歪材料からなる単結晶又は多結晶を育成する育成工程と、
前記育成工程にて育成された単結晶又は多結晶から円形状結晶材を切り出し加工し、スパッタ用ターゲットを作製するターゲット作製工程と、
前記ターゲット作製工程にて作製されたスパッタ用ターゲットを用いてスパッタリングを実施し、基材の表面にスパッタ膜を成膜する成膜工程と、を経て作製され、
しかる後、前記磁歪部品が前記被振動体に設置されることを特徴とする振動発電デバイスの製造方法。 - 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、
前記育成工程は、チョクラルスキー法、垂直ブリッジマン法又はフローティングゾーン法のいずれかを用いたことを特徴とする振動発電デバイスの製造方法。 - 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、
前記磁歪材料は、Ｆｅ－Ｇａ、Ｆｅ－Ｃｏ、Ｆｅ－Ｄｙ－Ｔｂのいずれかであることを特徴とする振動発電デバイスの製造方法。 - 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、
前記スパッタ膜は５ないし１００μｍの厚さに成膜されることを特徴とする振動発電デバイスの製造方法。 - 請求項１乃至４に記載の振動発電デバイスの製造方法において、
前記成膜工程は、前記スパッタ膜を成膜する前に、当該スパッタ膜の下地として、前記スパッタ膜の磁歪定数が大きくなる配向特性を持つ補助膜を成膜することを特徴とする振動発電デバイスの製造方法。 - 請求項５に記載の振動発電デバイスの製造方法において、
前記スパッタ膜の配向は方向指数が〔００１〕であり、前記補助膜の配向は方向指数が〔１００〕であることを特徴とする振動発電デバイスの製造方法。 - 請求項１乃至６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、
前記磁歪部品の基材は、金属又は樹脂製の弾性を有する板材にて構成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。 - 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、
前記育成工程又は前記成膜工程の少なくともいずれかには予め決められた温度及び時間条件で熱処理するアニール処理を含むことを特徴とする振動発電デバイスの製造方法。 - 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に用いられる前記磁歪部品を製造するに際し、
前記被振動体に設置される前に作製されるものであって、
磁歪材料からなる単結晶又は多結晶を育成する育成工程と、
前記育成工程にて育成された単結晶又は多結晶から円形状結晶材を切り出し加工し、スパッタ用ターゲットを作製するターゲット作製工程と、
前記ターゲット作製工程にて作製されたスパッタ用ターゲットを用いてスパッタリングを実施し、基材の表面にスパッタ膜を成膜する成膜工程と、を経て作製されることを特徴とする磁歪部品の製造方法。
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