JPWO2018230154A1 - エネルギー変換部材、振動発電装置、力センサー装置およびアクチュエータ - Google Patents
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Abstract
Description
[本発明の実施の形態のエネルギー変換部材について]
図1乃至4に、本発明の実施の形態のエネルギー変換部材1を示す。
図1に示すように、エネルギー変換部材1は、同じ長さおよび幅を有する、細長い板状の固体の軟磁性材料2と、細長い板状の固体の磁歪材料3とを有している。エネルギー変換部材1は、側縁を揃えるように軟磁性材料2の表面と磁歪材料3の表面とを合わせて接合し、細長い板状に形成されている。
このように、エネルギー変換部材1に作用する力を、磁束密度の変化として検出できるため、エネルギー変換部材1を利用して力センサー装置を構成することができる。このような力センサー装置は、例えば、エネルギー変換部材1から成るセンサー部と、そのセンサー部が変形したときの磁歪材料3の逆磁歪効果による磁化の変化を検出し、その磁化の変化から、センサー部に作用する力を求める力検出部とを有していてもよい。力検出部は、磁化の変化を、漏れ磁束として、磁歪材料3の近傍に配置されたホール素子により検出するよう構成されていてもよく、磁化の変化を、インピーダンスの変化として、磁歪材料3の近傍に配置されたソレノイドコイルにより検出するよう構成されていてもよい。
図5乃至図12に、本発明の実施の形態の振動発電装置10を示す。
図5に示すように、振動発電装置10は、ケーシング11と支持部12と振動部13と錘14と磁石15と発電用コイル16とを有している。
振動発電装置10は、ポンプやモーターといった産業用機械などの振動体に、ケーシング11で設置して使用される。振動発電装置10は、振動体の振動により振動部13がその長さ方向に対して垂直方向に振動したとき、磁歪材料3の逆磁歪効果により発電するとともに、その逆磁歪効果による磁化の変化により、軟磁性材料2の内部やその周辺の磁化も変化させることができる。この軟磁性材料2の磁化変化を利用することにより、磁歪材料3の逆磁歪効果のみの場合よりも、逆磁歪効果による振動発電能力を高めることができる。また、振動部13が、固体の軟磁性材料2と固体の磁歪材料3とを接合して形成されるため、液体の材料から製造する場合と比べて発電特性はばらつかず、所望の安定した発電特性を得ることができる。
図5に示す振動発電装置10について、軟磁性材料2の代わりに非磁性材料のSUS304を用い、磁歪材料3としてFe−70質量%Co系合金を用いた振動部13を使用して、振動体の振動に対する発電量を測定する実験を行った。振動部13として、非磁性材料と磁歪材料3とを熱拡散接合で接合したものと、接着したものの2種類を用いた。実験では、各振動部13の長さを70mm、幅を6mm、厚みを1mmとし、共振周波数が50Hz程度になるよう調整している。
図13および図14に、本発明の実施の形態のアクチュエータ20を示す。
図13に示すように、アクチュエータ20は、本発明の実施の形態の振動発電装置10と同様の構成を成しており、ケーシング11と支持部12と振動部13と錘14と磁石15と振動用コイル21とを有している。なお、以下の説明では、本発明の実施の形態の振動発電装置10と同一の構成には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
1a 切欠き
2 軟磁性材料
3 磁歪材料
10 振動発電装置
11 ケーシング
12 支持部
13 振動部
14 錘
15 磁石
16 発電用コイル
20 アクチュエータ
21 振動用コイル
22 ヨーク
31 支柱
32 ネオジム磁石
41 被振動体
42 電磁場変動体
[0006]
しかしながら、特許文献1および2に記載の発電装置では、振動部材の形状等を工夫することにより、発電量の増加や発電周波数の広帯域化等による発電能力を高めることはできるが、それのみでは発電能力の向上には限界があるという課題があった。また、非特許文献1に記載の複合材料は、高い発電能力を有しているが、磁歪材料の線材の周囲に、母材のエポキシ樹脂を流し込んで製造するため、母材の品質にバラツキが生じて発電特性が不安定になる可能性があるという課題があった。
[0007]
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、発電能力を高めることができ、安定した発電特性を有する振動発電装置、その振動発電装置を構成するエネルギー変換部材、そのエネルギー変換部材を有する力センサー装置およびアクチュエータを提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0008]
上記目的を達成するために、本発明に係るエネルギー変換部材は、固体の軟磁性材料と固体の磁歪材料とを、熱拡散接合,熱間圧延加工、熱間引抜加工、クラッド圧延または爆発圧着により接合して成ることを特徴とする。
[0009]
本発明に係るエネルギー変換部材は、振動発電装置や力センサー装置、アクチュエータなど、電気エネルギー、磁気エネルギー、力学的エネルギー等のエネルギー間の変換を利用する装置で好適に使用される。本発明に係るエネルギー変換部材は、例えば、軟磁性材料と磁歪材料とを接合したものを複合型磁歪材料として大量生産し、その複合型磁歪材料から所望の部品形状に切り出すことにより、製造することができる。なお、磁歪材料は、磁歪定数λの絶対値が20ppm以上のものである。
[0010]
本発明に係る振動発電装置は、本発明に係るエネルギー変換部材から成る振動部を有し、前記振動部の振動による前記磁歪材料の逆磁歪効果で発電するよう構成されていることを特徴とする。
[0011]
本発明に係る振動発電装置は、本発明に係るエネルギー変換部材から成る振動部が振動したとき、磁歪材料の逆磁歪効果により発電するとともに、その逆磁歪効果による磁化の変化により、軟磁性材料の磁化も変化させることができる。この軟磁性材料の磁化変化により、磁歪材料の逆磁歪効果のみの
らに高めることができる。
[0022]
本発明に係るエネルギー変換部材は、熱拡散接合、熱間圧延加工または熱間引抜加工により接合されているため、高温で接合して冷却した後の残留応力により、磁歪材料の磁壁移動が容易になり、磁化変化が促進される。このため、振動発電装置や力センサー装置に利用したときの、逆磁歪効果による発電能力や力の検出能力、アクチュエータに利用したときの、磁歪効果による振動能力をさらに高めることができる。
[0023]
本発明に係るエネルギー変換部材は、前記軟磁性材料と前記磁歪材料とが、負荷を加えた状態で接合されていてもよい。この場合、接合後に負荷を解除したときの残留応力により、磁歪材料の磁壁移動が容易になり、磁化変化が促進される。このため、振動発電装置や力センサー装置に利用したときの、逆磁歪効果による発電能力や力の検出能力、アクチュエータに利用したときの、磁歪効果による振動能力をさらに高めることができる。
[0024]
なお、本発明に関し、軟磁性材料を使用せず、エネルギー変換部材が、固体の部材と固体の磁歪材料とを熱拡散接合,熱間圧延加工または熱間引抜加工により接合して成っていてもよい。また、エネルギー変換部材が、固体の部材と固体の磁歪材料とを、負荷を加えた状態で接着剤または溶接により接合して成っていてもよい。これらの場合でも、軟磁性材料を使用したときよりは劣るが、残留応力により磁歪材料の磁壁移動が容易になり、磁化変化が促進される。このため、振動発電装置や力センサー装置に利用したときの、逆磁歪効果による発電能力や力の検出能力、アクチュエータに利用したときの、磁歪効果による振動能力を高めることができる。固体の部材は、例えばステンレスや木材などである。
発明の効果
[0025]
本発明によれば、発電能力を高めることができ、安定した発電特性を有する振動発電装置、その振動発電装置を構成するエネルギー変換部材、そのエ
Claims (15)
- 固体の軟磁性材料と固体の磁歪材料とを接合して成ることを特徴とするエネルギー変換部材。
- 前記磁歪材料は、Fe−Co系合金、Fe−Al系合金、Ni、Ni−Fe系合金またはNi−Co系合金から成ることを特徴とする請求項1記載のエネルギー変換部材。
- 前記軟磁性材料は、前記磁歪材料の磁歪定数とは異なる符号の磁歪定数を有する磁歪材料から成ることを特徴とする請求項1または2記載のエネルギー変換部材。
- 前記軟磁性材料および前記磁歪材料のいずれか一方が、正の磁歪定数を有するFe−Co系合金またはFe−Al系合金から成り、他方が、負の磁歪定数を有するNi−0〜20質量%Fe系合金またはNi−Co系合金から成ることを特徴とする請求項3記載のエネルギー変換部材。
- 前記軟磁性材料と前記磁歪材料とが、熱拡散接合,熱間圧延加工または熱間引抜加工により接合されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のエネルギー変換部材。
- 前記軟磁性材料と前記磁歪材料とが、接着剤または溶接により接合されていることを特徴とする請求項3または4記載のエネルギー変換部材。
- 前記軟磁性材料と前記磁歪材料とが、負荷を加えた状態で接合されていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載のエネルギー変換部材。
- 請求項1乃至7のいずれか1項に記載のエネルギー変換部材から成る振動部を有し、
前記振動部の振動による前記磁歪材料の逆磁歪効果で発電するよう構成されていることを
特徴とする振動発電装置。 - 前記振動部は、振動したときに応力集中する部分を1箇所以上有することを特徴とする請求項8記載の振動発電装置。
- 請求項1乃至7のいずれか1項に記載のエネルギー変換部材から成るセンサー部と、
前記センサー部が変形したときの前記磁歪材料の逆磁歪効果による磁化の変化を検出し、その磁化の変化から、前記センサー部に作用する力を求める力検出部とを、
有することを特徴とする力センサー装置。 - 前記力検出部は、前記磁歪材料の近傍に配置された磁気センサーを有し、前記磁化の変化を、漏れ磁束として前記磁気センサーにより検出するよう構成されていることを特徴とする請求項10記載の力センサー装置。
- 前記力検出部は、前記磁歪材料の近傍に配置された検出用コイルを有し、前記磁化の変化を、インピーダンスの変化として前記検出用コイルにより検出するよう構成されていることを特徴とする請求項10記載の力センサー装置。
- 前記センサー部は、前記力が作用したときに応力集中する部分を1箇所以上有することを特徴とする請求項10乃至12のいずれか1項に記載の力センサー装置。
- 請求項1乃至7のいずれか1項に記載のエネルギー変換部材から成る振動部と、
電流を流すことにより、前記磁歪材料の磁歪効果で前記振動部を振動させるよう配置された振動用コイルとを有することを
特徴とするアクチュエータ。 - 前記振動用コイルは、前記振動部の周囲に巻かれている、または、前記振動部に磁気的に結合されたヨークの周囲に巻かれていることを特徴とする請求項14記載のアクチュエータ。
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