WO2013186876A1 - 発電デバイス - Google Patents

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WO2013186876A1
WO2013186876A1 PCT/JP2012/065135 JP2012065135W WO2013186876A1 WO 2013186876 A1 WO2013186876 A1 WO 2013186876A1 JP 2012065135 W JP2012065135 W JP 2012065135W WO 2013186876 A1 WO2013186876 A1 WO 2013186876A1
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WO
WIPO (PCT)
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power generation
generation device
beams
stress relaxation
relaxation layer
Prior art date
Application number
PCT/JP2012/065135
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English (en)
French (fr)
Inventor
島内　岳明
豊田　治
Original Assignee
富士通株式会社
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Filing date
Publication date
Application filed by 富士通株式会社 filed Critical 富士通株式会社
Priority to JP2014521041A priority Critical patent/JP5880702B2/ja
Priority to PCT/JP2012/065135 priority patent/WO2013186876A1/ja
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Priority to US14/540,291 priority patent/US9543499B2/en

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H02N2/186—Vibration harvesters
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N35/00—Magnetostrictive devices
    • H10N35/101—Magnetostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. generators, sensors

Definitions

  • the present invention relates to a power generation device.
  • a power generation device having a pair of beams formed of a magnetostrictive material, a coil wound around the beam, and a magnet that generates magnetic flux has been proposed.
  • the beam bends due to vibration, the density of magnetic flux passing through the beam changes, and a current flows through the coil. This current can be extracted from the coil and used as electric power for driving the electronic device.
  • An object is to provide a power generation device with high power generation efficiency.
  • the first beam and the second beam that are arranged to face each other and are curved by vibration, and the first beam and the second beam are wound around the first beam and the second beam.
  • the first beam and the second beam include a beam body and a stress relaxation layer that is formed of a material different from that of the beam body and covers a part of the surface of the beam body.
  • a power generation device is provided.
  • the power generation efficiency is high and a large current can be taken out.
  • FIG. 1A is a front view showing an example of a power generation device
  • FIG. 1B is a side view of the same
  • FIG. 1C is a cross-sectional view taken along the line II in FIG. 1B. is there.
  • FIG. 2 is a schematic view showing a power generation device attached to a support.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a curved state of the beam of the power generation device.
  • FIG. 4 is a diagram showing the results obtained by simulation calculation of the stress distribution when the beam is curved.
  • 5 (a) is a front view showing the power generation device according to the first embodiment
  • FIG. 5 (b) is a side view thereof
  • FIG. 5 (c) is shown by a line II-II in FIG. 5 (b). It is sectional drawing in a position.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a beam portion of the power generation device according to the first embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a result obtained by simulation calculation of a stress distribution when the beam of the power generation device according to the first embodiment is curved in an “S” shape.
  • FIG. 8 is a diagram (part 1) illustrating a modification of the first embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram (part 2) illustrating a modification of the first embodiment.
  • FIG. 10 is a third diagram illustrating a modification of the first embodiment.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing a power generation device according to the second embodiment.
  • FIGS. 12A to 12D are schematic views showing a power generation device according to the third embodiment.
  • FIGS. 13A and 13B are views showing a coil winding state.
  • FIG. 12A to 12D are schematic views showing a power generation device according to the third embodiment.
  • FIGS. 13A and 13B are views showing a coil winding state.
  • FIG. 14 is a schematic cross-sectional view showing a power generation device according to the fourth embodiment.
  • FIG. 15 is a schematic cross-sectional view showing a power generation device according to the fifth embodiment.
  • FIG. 16 is a schematic cross-sectional view showing a power generation device according to the sixth embodiment.
  • FIG. 17 is a diagram illustrating a modification of the sixth embodiment.
  • FIG. 18 is a schematic cross-sectional view showing a power generation device according to the seventh embodiment.
  • FIG. 19 is a diagram illustrating a modification of the seventh embodiment.
  • 20A and 20B are schematic cross-sectional views showing other embodiments.
  • FIG. 1A is a front view showing an example of a power generation device
  • FIG. 1B is a side view of the same
  • FIG. 1C is a cross-sectional view taken along the line II in FIG. 1B. is there.
  • the power generation device 10 shown in FIGS. 1A to 1C includes beams 11a and 11b, coils 12a and 12b, connecting yokes 13a and 13b, permanent magnets 14a and 14b, and a back yoke 15.
  • Both the beams 11a and 11b are formed in an elongated thin plate shape by a magnetostrictive material. These beams 11a and 11b are arranged to face each other, and coils 12a and 12b are wound around the beams 11a and 11b, respectively.
  • the upper portions of the beams 11a and 11b are connected by a connecting yoke 13a, and the lower portions of the beams 11a and 11b are connected by a connecting yoke 13b.
  • the N pole of the magnet 14a is connected to the ends of the beams 11a and 11b on the connecting yoke 13a side, and the S pole of the magnet 14b is connected to the end of the connecting yoke 13b side.
  • the back yoke 15 is made of a magnetic material containing iron as a main component, and magnetically connects the south pole of the magnet 14a and the north pole of the magnet 14b. Thereby, the magnetic path which passes the magnet 14a, the beams 11a and 11b, the magnet 14b, and the back yoke 15 in order is formed.
  • one of the connecting yokes 13a and 13b is fixed to the support.
  • the connecting yoke 13a is fixed to the support 19, and the connecting yoke 13b side is free.
  • the side fixed to the support is called a fixed end, and the opposite side is called a movable end.
  • the beams 11a and 11b are curved according to the vibration, and the density of magnetic flux passing through the beams 11a and 11b changes. Thereby, the current according to the change of the magnetic flux density flows through the coils 12a and 12b. This current can be extracted from the coils 12a and 12b and used as electric power for driving the electronic device.
  • two beams 11a and 11b are arranged in parallel to each other, and the upper and lower portions of the beams 11a and 11b are connected to the connecting yokes 13a and 13b. ing. For this reason, when the support is vibrated, the beams 11a and 11b are curved in an “S” shape as schematically shown in FIG.
  • FIG. 4 is a diagram showing a result obtained by calculating a stress distribution when the beams 11a and 11b are bent as shown in FIG.
  • FIG. 5 (a) is a front view showing the power generation device according to the first embodiment
  • FIG. 5 (b) is a side view thereof
  • FIG. 5 (c) is shown by a line II-II in FIG. 5 (b). It is sectional drawing in a position.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a beam portion of the power generation device according to the first embodiment.
  • the power generation device 20 includes beams 21a and 21b, coils 22a and 22b, connecting yokes 23a and 23b, permanent magnets 24a and 24b, and a back yoke 25.
  • the beams 21 a and 21 b include an elongated thin plate-like beam body 26 formed of a magnetostrictive material, and a stress relaxation layer 27 formed of a nonmagnetic material and partially covering the surface of the beam body 26.
  • the stress relaxation layer 27 is formed on each of the facing surfaces of the beam main body 26 at the portion of the beams 21a and 21b on the connection yoke 23a side.
  • a stress relaxation layer 27 is formed on the side of the beam 21a, 21b on the side of the connecting yoke 23b opposite to the opposite surface of the beam body 26. Details of the beam body 26 and the stress relaxation layer 27 will be described later.
  • the beams 21a and 21b are arranged to face each other. In the present embodiment, it is assumed that the distance between the beams 21a and 21b is 1 mm. Coils 22a and 22b are wound around the beams 21a and 21b, respectively. The upper portions of the beams 21a and 21b are connected by a connecting yoke 23a, and the lower portions of the beams 21a and 21b are connected by a connecting yoke 23b.
  • the N pole of the magnet 24a is connected to the ends of the beams 21a and 21b on the connecting yoke 23a side, and the S pole of the magnet 24b is connected to the end of the connecting yoke 23b side.
  • the back yoke 25 is made of a magnetic material, and connects between the south pole of the magnet 24a and the north pole of the magnet 24b. Thereby, the magnetic path which passes the magnet 24a, the beams 21a and 21b, the magnet 24b, and the back yoke 25 in order is formed.
  • the beam body 26 is made of a magnetostrictive material.
  • the beam main body 26 is formed of an iron / gallium alloy into a thin plate shape of 8.2 mm (length) ⁇ 1 mm (width) ⁇ 0.2 mm (thickness).
  • the beam body 26 may be formed of other magnetostrictive materials, for example, iron / cobalt alloy, Fe—Co based amorphous material, Fe based amorphous material, Ni based amorphous material, or the like.
  • Fe—Co based amorphous material include Co—Fe—Ni—Mo—B—Si and Co—Fe—Ni—B—Si.
  • Fe-based amorphous material include Fe—B—Si, Fe—B—Si—Cr, and Fe—Ni—Mo—B.
  • Ni-based amorphous materials include, for example, Ni—Cr—Fe—Si—B, Ni—Si—B, and Ni—Cr—Si—B.
  • the stress relaxation layer 27 is made of a nonmagnetic material. In the present embodiment, it is assumed that the stress relaxation layer 27 is formed to a thickness of 0.2 mm from silicon oxide (SiO 2 ).
  • the stress relaxation layer 27 may be formed of a nonmagnetic metal such as aluminum or copper. However, when the stress relaxation layer 27 is formed of a nonmagnetic metal, it is conceivable that eddy current is generated in the stress relaxation layer 27 when the beams 21a and 21b are bent, and the power generation efficiency is lowered. For this reason, the stress relaxation layer 27 is preferably formed of an insulating material.
  • the stress relaxation layer 27 is formed of an insulating material having high toughness such as polyimide, polycarbonate, or fiber reinforced plastic, the beams 21a and 21b are hardly damaged even if they are repeatedly bent.
  • the stress relaxation layer 27 is formed of polyimide, polycarbonate, fiber reinforced plastic, or the like, for example, these materials are formed into a sheet shape and bonded to the beam body 26 by thermocompression bonding or an adhesive.
  • the stress relaxation layer 27 may be formed of an inorganic material such as SiO 2 or alumina. Since inorganic materials such as SiO 2 and alumina have higher Young's modulus than organic materials such as polyimide and polycarbonate, the same effect can be obtained even if the layer thickness is reduced.
  • the natural frequencies of the beams 21a and 21b vary depending on the length, Young's modulus, the weight of the connecting yoke 23b on the movable end side, and the like. It is preferable to adjust the length and Young's modulus of the beams 21 a and 21 b and the weight of the connecting yoke 23 b on the movable end side in accordance with the vibration applied to the power generation device 20.
  • the stress relaxation layer 27 tends to be thinner as the material has a higher Young's modulus.
  • the connecting yoke 23 a side is fixed to the support 29.
  • the beams 21a and 21b are bent according to the vibration, and the density of magnetic flux passing through the beams 21a and 21b changes.
  • the current according to the change of the magnetic flux density flows through the coils 22a and 22b. This current can be taken out of the coils 22a and 22b and used as electric power for driving the electronic device.
  • FIG. 7 is a diagram showing a result obtained by simulation calculation of the stress distribution when the beams 21a and 21b are curved in an “S” shape.
  • the tensile stress is applied over almost the entire thickness direction and length direction of the beam body 26 formed of the magnetostrictive material. appear.
  • compressive stress is generated over almost the entire thickness direction and length direction of the beam body 26.
  • the power generation device 20 according to the present embodiment since the tensile stress or the compressive stress is generated over almost the entire thickness direction and the length direction of the beam body 26 formed of the magnetostrictive material, the power generation efficiency is high. For this reason, the power generation device 20 according to the present embodiment can extract large electric power with small vibration.
  • the stress relaxation layer 27 is disposed inside the beam body 26 in the region up to the connecting yoke 23b.
  • the stress relaxation layer 27 may not be formed at the center of the beams 21a and 21b. Further, as shown in FIG. 8C, the stress relaxation layer 27 formed on one side of the beams 21a and 21b and the stress relaxation layer 27 formed on the other side of the beams 21a and 21b You may make it oppose on both sides of the beam main body 26 in the center part. By changing the formation range of the stress relaxation layer 27 as shown in FIGS. 8A to 8C, the spring constants of the beams 21a and 21b change, and the natural frequency of the power generation device 20 changes.
  • the stress relaxation layer 27 may be formed of a plurality of layers 27a and 27b made of different materials.
  • the distribution of compressive stress and tensile stress generated in the beams 21a and 21b varies depending on the material and thickness of each of the layers 27a and 27b forming the stress relaxation layer 27.
  • the compressive stress generated in the stress relaxation layer 27 is large on the connecting yokes 23a, 23b side and small on the center side of the beams 21a, 21b. Therefore, as shown in FIG. 10, the thickness of the stress relaxation layer 27 may be thicker on the connecting yokes 23a and 23b side and thinner on the central side.
  • the spring constant of the beam body 26 changes. However, by changing the thickness of the stress relaxation layer 27 in the length direction of the beam body 26 as shown in FIG. Changes in the spring constant can be suppressed.
  • the stress relaxation layer 27 may be formed only on either the inside or the outside of the beams 21a and 21b. In this case, although the power generation efficiency is lower than that of the power generation device 20 illustrated in FIGS. 5 and 6, the power generation efficiency is higher than that of the power generation device 10 illustrated in FIG. 1.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing a power generation device according to the second embodiment.
  • This embodiment is different from the first embodiment in that the stress relaxation layer is formed of a magnetostrictive material having a polarity opposite to that of the magnetostrictive material forming the beam. This is the same as the first embodiment. Here, illustration and description of portions overlapping with those of the first embodiment are omitted.
  • the power generation device 20a includes connecting members 23a and 23b and beams 21a and 21b.
  • the beams 21a and 21b have a beam body 26 and a stress relaxation layer 28 that partially covers the beam body 26.
  • Coils 22a and 22b are wound around the beams 21a and 21b, respectively.
  • the beam body 26 is formed of, for example, an Fe—Ga alloy, an Fe—Co alloy, an Fe—Co amorphous material, an Fe-based amorphous material, or a Ni-based amorphous material, as in the first embodiment.
  • the stress relaxation layer 28 is formed of a metal having a magnetostrictive characteristic opposite to that of the magnetostrictive material forming the beam body 26.
  • the metal having magnetostriction characteristics opposite to those of the above-described magnetostrictive material include Sm—Fe, Mg—Cu, Co—Fe—Sm—Dy, and Co—Si—B.
  • the stress relaxation layer 28 is formed of a metal having a magnetostrictive characteristic opposite to that of the magnetostrictive material forming the beam body 26.
  • the stress relaxation layer 28 is formed of a metal having a magnetostrictive characteristic opposite to that of the magnetostrictive material forming the beam body 26.
  • the magnetostriction characteristics of the beam body 26 and the stress relaxation layer 28 are opposite to each other, the change direction of the magnetic flux density of the beam body 26 and the change direction of the magnetic flux density of the stress relaxation layer 28 are the same. Therefore, a large current flows through the coils 22a and 22b wound around the beams 21a and 21b, and a large electric power can be taken out.
  • FIGS. 12A to 12D are schematic views showing a power generation device according to the third embodiment. 12A to 12D, the same components as those in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • the N pole of the magnet 31a is connected to the end of the beam 21b on the side of the connecting yoke 23a
  • the S pole of the magnet 31b is connected to the end of the beam 21b on the side of the connecting yoke 23b. Is connected.
  • the N pole of the magnet 31c is connected to the end of the beam 21a on the connecting yoke 23a side
  • the S pole of the magnet 31d is connected to the end of the beam 21a on the connecting yoke 23b side.
  • the beams 21a and 21b have a beam main body 26 formed of a magnetostrictive material as in the first embodiment, and a stress relaxation layer 27 that partially covers the beam main body 26.
  • coils (not shown) are wound around the beams 21a and 21b, respectively.
  • the N pole of the magnet 32a is connected to the end of the beam 21b on the connection yoke 23a side
  • the S pole of the magnet 31b is connected to the end of the beam 21b on the connection yoke 23b side. Is connected.
  • the S pole of the magnet 31c is connected to the end of the beam 21a on the connecting yoke 23a side
  • the N pole of the magnet 31d is connected to the end of the beam 21a on the connecting yoke 23b side.
  • the beams 21a and 21b have a beam main body 26 formed of a magnetostrictive material as in the first embodiment, and a stress relaxation layer 27 that partially covers the beam main body 26.
  • coils (not shown) are wound around the beams 21a and 21b, respectively.
  • the N pole of the magnet 33a is connected to the end of the beam 21b on the connection yoke 23a side
  • the S pole of the magnet 33b is connected to the end of the beam 21b on the connection yoke 23b side. Is connected.
  • the ends of the beams 21a and 21b on the side of the connecting yoke 23a are magnetically connected by the magnetic body 34a
  • the ends of the beams 21a and 21b on the side of the connecting yoke 23b are magnetically connected by the magnetic body 34b. Yes.
  • the beams 21a and 21b have a beam main body 26 formed of a magnetostrictive material as in the first embodiment, and a stress relaxation layer 27 that partially covers the beam main body 26.
  • coils (not shown) are wound around the beams 21a and 21b, respectively.
  • the N pole of the magnet 35a is connected to the end of the beam 21b on the connection yoke 23a side
  • the S pole of the magnet 35b is connected to the end of the beam 21a on the connection yoke 23b side. Is connected.
  • the ends of the beams 21a and 21b on the side of the connecting yoke 23a are magnetically connected by the magnetic body 34a
  • the ends of the beams 21a and 21b on the side of the connecting yoke 23b are magnetically connected by the magnetic body 34b. Yes.
  • the beams 21a and 21b have a beam main body 26 formed of a magnetostrictive material as in the first embodiment, and a stress relaxation layer 27 that partially covers the beam main body 26.
  • coils (not shown) are wound around the beams 21a and 21b, respectively.
  • tensile stress or compression stress is generated almost entirely in the thickness direction and the length direction of the beam body 26 formed of the magnetostrictive material. High efficiency.
  • the coils 36a and 36b may be individually wound around the beams 21a and 21b as shown in FIG. 13A. As shown in FIG. 13B, the coil 36c may be wound so that the beams 21a and 21b are wrapped simultaneously.
  • FIG. 14 is a schematic cross-sectional view showing a power generation device according to the fourth embodiment.
  • the 14 has beams 21a and 21b, connecting yokes 43a and 43b, permanent magnets 44a and 44b, and coils 46a and 46b wound around the beams 21a and 21b.
  • the beams 21 a and 21 b include a beam main body 26 formed of a magnetostrictive material and a stress relaxation layer 27 that partially covers the beam main body 26.
  • One ends of the beams 21a and 21b are connected by a connecting yoke 43a, and the other ends are connected by a connecting yoke 43b.
  • a magnet 44a is disposed between the ends of the beams 21a and 21b on the connecting yoke 24a side.
  • the magnet 44a has an N pole connected to the beam 21b and an S pole connected to the beam 21a.
  • a magnet 44b is disposed between the ends of the beams 21a and 21b on the connection yoke 43b side.
  • the magnet 44b has an S pole connected to the beam 21b and an N pole connected to the beam 21a.
  • magnets 44a and 44b form a circular magnetic path that passes through the beam 21b, the magnet 44b, the beam 21a, and the magnet 44a in this order.
  • the coils 46a and 46b are individually wound around the beams 21a and 21b.
  • the coils may be wound around the beams 21a and 21b as shown in FIG. 13B.
  • the N pole and S pole of the magnet 44a and the S pole and N pole of the magnet 44b are magnetically connected via the beams 21a and 21b. For this reason, the back yoke is unnecessary, and the bending of the beams 21a and 21 is not hindered by the back yoke. Therefore, the power generation device 40 according to the present embodiment can further improve the power generation efficiency.
  • FIG. 15 is a schematic cross-sectional view showing a power generation device according to the fifth embodiment.
  • the power generation device 50 includes beams 51a and 51b, a coil 56, connecting yokes 53a and 53b, permanent magnets 54a and 54b, and a stress relaxation layer 57.
  • Both the beams 51a and 51b are formed in an elongated thin plate shape by a magnetostrictive material. These beams 51a and 51b are disposed to face each other, and a stress relaxation layer 57 formed of a nonmagnetic material is disposed between the beams 51a and 51b so as to fill a gap between the beams 51a and 51b. .
  • One end of the beams 51a and 51b is connected by a connecting yoke 53a, and the other end is connected by a connecting yoke 53b.
  • the magnet 54a is disposed between the ends of the beams 51a and 51b on the connection yoke 53a side.
  • the magnet 54a has an N pole connected to the beam 51b and an S pole connected to the beam 51a.
  • the magnet 54b is disposed between the ends of the beams 51a and 51b on the connection yoke 53b side.
  • the magnet 54b has an S pole connected to the beam 51b and an N pole connected to the beam 51a.
  • the stress relaxation layer 57 is disposed between the beams 51a and 51b so as to fill the gap between the beams 51a and 51b, either one of the beams 51a and 51b is applied when vibration is applied. Compressive stress is generated, and tensile stress is generated on the other side. Also in this embodiment, a power generation device with high power generation efficiency is obtained.
  • FIG. 16 is a schematic cross-sectional view showing a power generation device according to the sixth embodiment.
  • the power generation device 60 includes beams 61a and 61b, connecting yokes 52a and 52b, and coils 62a and 62b wound around the beams 61a and 61b, respectively.
  • the beams 61 a and 61 b include a beam main body 66 formed of a metamagnetic shape memory alloy or a ferromagnetic shape memory alloy having spontaneous magnetization, and a stress relaxation layer 67 that partially covers the surface of the beam main body 66.
  • Examples of the metamagnetic shape memory alloy include a Ni / Co / Mn / In alloy and a Ni / Mn / In alloy.
  • Examples of the ferromagnetic shape memory alloy include Ni.Mn.Ga alloy, Ni.Mn.Al alloy, Ni.Mn.In alloy, Ni.Mn.Sb alloy, Ni.Mn.Sn alloy, Co.Ni.Sn alloy. Examples include Ga alloys, Co.Ni.Al alloys, Ni.Fe.Al alloys, Ni.Fe.Ga alloys, Cu.Mn.Ga alloys, Fe.Pt alloys, and Fe.Pd alloys.
  • the beams 61a and 61b are bent and distorted, and the magnetic force of the beam body 66 changes. As a result, a current flows through the coil, and power can be extracted from the coil.
  • the stress relaxation layer 67 that partially covers the beams 61a and 61b is provided as in the first embodiment, the power generation efficiency is high and a large amount of electric power can be taken out. Moreover, in this embodiment, since it is not necessary to prepare a magnet separately, there also exists an advantage that size reduction of an electric power generation device is possible.
  • magnets 64a to 64d may be attached to the ends of the beams 61a and 61b.
  • the change of the magnetic force can be increased, and the power generation efficiency is further improved as compared with the power generation device 60 shown in FIG.
  • FIG. 18 is a schematic cross-sectional view showing a power generation device according to the seventh embodiment.
  • the power generation device 70 includes beams 71a and 71b, connecting yokes 73a and 73b, and coils 72a and 72b wound around the beams 71a and 71b, respectively.
  • the power generation device 70 according to the present embodiment also includes a magnet and a back yoke, as in the power generation device 10 illustrated in FIG. 1, for example.
  • the beams 71a and 71b have a structure in which magnetostrictive layers 76a and insulating layers 76b are alternately stacked.
  • the magnetostrictive layer 76a is made of, for example, a magnetostrictive material of Fe-based amorphous material Metoglass (2605SA1, Fe—B—Si, etc.) made by Hitachi Metals, Ltd. having a thickness of 25 ⁇ m
  • the insulating layer 76b is made of, for example, an epoxy having a thickness of 2 ⁇ m.
  • it is made of an insulating material such as cyanoacrylate.
  • the total number of laminated layers of the magnetostrictive layer 76a and the insulating layer 76b is, for example, 20 to 30 layers.
  • the beams 71a and 71b have a laminated structure of the magnetostrictive layer 76a and the insulating layer 76b, eddy currents generated in the magnetostrictive layer 76a when the beams 71a and 71b are curved are suppressed. Thereby, a power generation device with high power generation efficiency is obtained.
  • a stress relaxation layer 77 may be formed on the surfaces of the beams 71a and 71b as shown in FIG. Thereby, the power generation efficiency of the power generation device 70 is further improved.
  • three beams 81a, 81b, and 81c are arranged between the connecting yokes 83a and 83b.
  • Coils 82a, 82b, and 83c are wound around the beams 81a, 81b, and 81c, respectively.
  • the beam 81b arranged at the center is made of a magnetostrictive material.
  • the beams 81a and 81c arranged at positions sandwiching the beam 81b include a beam main body 86 formed of a magnetostrictive material and a stress relaxation layer 87 that partially covers the surface of the beam main body 86.
  • Each of the beams 81a to 81d includes a beam main body 86 made of a magnetostrictive material and a stress relaxation layer 87 that partially covers the surface of the beam main body 86.
  • These power generation devices 80a and 80b also have high power generation efficiency as in the first embodiment, and can extract a large amount of power with a small vibration.
  • the electric power generation device of each embodiment mentioned above can be used as a power supply which supplies drive power to an electronic device, it can also be used as a sensor which detects a vibration.

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

【課題】発電効率が高い発電デバイスを提供する。 【解決手段】発電デバイス２０は、相互に対向して配置されて振動により湾曲する第１の梁２１ａ及び第２の梁２１ｂと、第１の梁２１ａ及び第２の梁２１ｂの周囲に巻回されたコイルとを有する。また、第１の梁２１ａ及び第２の梁２１ｂは、磁歪材料等により形成された梁本体２６と、梁本体２６とは異なる材料により形成されて梁本体２６の表面の一部を覆う応力緩和層２７とを有する。振動により梁本体２６が変形すると、梁本体２６に主に圧縮応力及び引張応力のいずれか一方が発生し、応力緩和層２７に主に圧縮応力及び引張応力のいずれか他方が発生して、コイルに大きな電流が流れる。

Description

発電デバイス
　本発明は、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。
ＷＯ２０１１/１５８４７３
　発電効率が高い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、相互に対向して配置されて振動により湾曲する第１の梁及び第２の梁と、前記第１の梁及び前記第２の梁の周囲に巻回されたコイルとを有し、前記第１の梁及び前記第２の梁は、梁本体と、前記梁本体とは異なる材料により形成されて前記梁本体の表面の一部を覆う応力緩和層とを有する発電デバイスが提供される。
　上記一観点に係る発電デバイスによれば、発電効率が高く、大きな電流を取り出すことができる。
図１（ａ）は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、発電デバイスの梁の湾曲状態を示す図である。 図４は、梁が湾曲したときの応力分布をシミュレーション計算して求めた結果を表した図である。 図５（ａ）は第１の実施形態に係る発電デバイスを示す正面図、図５（ｂ）は同じくその側面図、図５（ｃ）は図５（ｂ）中にII－II線で示す位置における断面図である。 図６は、第１の実施形態に係る発電デバイスの梁の部分を示す断面図である。 図７は、第１の実施形態に係る発電デバイスの梁が“Ｓ”字状に湾曲したときの応力分布をシミュレーション計算して求めた結果を表した図である。 図８は、第１の実施形態の変形例を示す図（その１）である。 図９は、第１の実施形態の変形例を示す図（その２）である。 図１０は、第１の実施形態の変形例を示す図（その３）である。 図１１は、第２の実施形態に係る発電デバイスを示す模式図である。 図１２（ａ）～（ｄ）は、いずれも第３の実施形態に係る発電デバイスを示す模式図である。 図１３（ａ），（ｂ）は、コイルの巻回状態を示す図である。 図１４は、第４の実施形態に係る発電デバイスを示す模式断面図である。 図１５は、第５の実施形態に係る発電デバイスを示す模式断面図である。 図１６は、第６の実施形態に係る発電デバイスを示す模式断面図である。 図１７は、第６の実施形態の変形例を示す図である。 図１８は、第７の実施形態に係る発電デバイスを示す模式断面図である。 図１９は、第７の実施形態の変形例を示す図である。 図２０（ａ），（ｂ）はその他の実施形態を示す模式断面図である。
　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。
　図１（ａ）は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はいずれも磁歪材料により細長い薄板状に形成されている。これらの梁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。
　このような発電デバイス１０において、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。
　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。
　しかしながら、上述した発電デバイスでは発電効率が十分とはいえない。以下に、その理由について説明する。
　図１（ａ）～（ｃ）に示す発電デバイス１０では、２本の梁１１ａ，１１ｂが相互に平行に配置されており、梁１１ａ，１１ｂの上部及び下部は連結ヨーク１３ａ，１３ｂに接続されている。このため、支持体が振動すると、図３に模式的に示すように梁１１ａ，１１ｂは“Ｓ”字状に湾曲する。
　図４は、梁１１ａ，１１ｂが図３のように湾曲したときの応力分布をシミュレーション計算して求めた結果を表した図である。
　梁１１ａ，１１ｂが“Ｓ”字状に湾曲した場合、連結ヨーク１３ａ側では梁１１ａ，１１ｂの一方の面側（図４では上側）に大きな引張応力が発生し、他方の面側（図４では下側）に大きな圧縮応力が発生する。また、連結ヨーク１３ｂ側では梁１１ａ，１１ｂの一方の面側（図４では上側）に大きな圧縮応力が発生し、他方の面側（図４では下側）に大きな引張応力が発生する。
　このように薄板状の梁１１ａ，１１ｂの一方の面側と他方の面側とで引張応力と圧縮応力とが同時に発生すると、梁１１ａ，１１ｂの一方の面側と他方の面側とで磁束密度の変化が打ち消される。その結果、梁１１ａ，１１ｂのうち連結ヨーク１３ａ，１３ｂに近い部分では十分な起電力が発生せず、起電力が十分に発生するのは梁１１ａ，１１ｂの中央の部分だけとなる。従って、図１（ａ）～（ｃ）に示す発電デバイス１０では、発電効率が十分とはいえない。
　以下の実施形態では、発電効率が高い発電デバイスについて説明する。
　（第１の実施形態）
　図５（ａ）は第１の実施形態に係る発電デバイスを示す正面図、図５（ｂ）は同じくその側面図、図５（ｃ）は図５（ｂ）中にII－II線で示す位置における断面図である。また、図６は、第１の実施形態に係る発電デバイスの梁の部分を示す断面図である。
　本実施形態に係る発電デバイス２０は、梁２１ａ，２１ｂと、コイル２２ａ，２２ｂと、連結ヨーク２３ａ，２３ｂと、永久磁石２４ａ，２４ｂと、バックヨーク２５とを有する。
　梁２１ａ，２１ｂは、図６に示すように、磁歪材料により形成された細長い薄板状の梁本体２６と、非磁性材料により形成されて梁本体２６の表面を部分的に覆う応力緩和層２７とを有する。本実施形態では、梁２１ａ，２１ｂの連結ヨーク２３ａ側の部分では、梁本体２６の各対向面側に、応力緩和層２７が形成されている。また、梁２１ａ，２１ｂの連結ヨーク２３ｂ側の部分では、梁本体２６の対向面と反対の面側に、応力緩和層２７が形成されている。梁本体２６及び応力緩和層２７の詳細は後述する。
　梁２１ａ，２１ｂは相互に対向して配置されている。本実施形態では、梁２１ａ，２１ｂ間の間隔は１ｍｍであるとする。梁２１ａ，２１ｂの周囲にはそれぞれコイル２２ａ，２２ｂが巻回されている。また、梁２１ａ，２１ｂの上部は連結ヨーク２３ａにより連結され、梁２１ａ，２１ｂの下部は連結ヨーク２３ｂにより連結されている。
　梁２１ａ，２１ｂの連結ヨーク２３ａ側の端部には磁石２４ａのＮ極が接続され、連結ヨーク２３ｂ側の端部には磁石２４ｂのＳ極が接続されている。
　バックヨーク２５は磁性材料により形成されており、磁石２４ａのＳ極と磁石２４ｂのＮ極との間を接続している。これにより、磁石２４ａ、梁２１ａ，２１ｂ、磁石２４ｂ、バックヨーク２５を順に通る磁路が形成されている。
　前述したように、梁本体２６は磁歪材料により形成されている。本実施形態では、梁本体２６が、鉄・ガリウム合金により、８．２ｍｍ（長さ）×１ｍｍ（幅）×０．２ｍｍ（厚さ）の薄板状に形成されているものとする。
　梁本体２６を他の磁歪材料、例えば鉄・コバルト合金、Ｆｅ－Ｃｏ基アモルファス材料、Ｆｅ系アモルファス材料又はＮｉ系アモルファス材料等により形成してもよい。Ｆｅ－Ｃｏ基アモルファス材料には、例えばＣｏ－Ｆｅ－Ｎｉ－Ｍｏ－Ｂ－Ｓｉ及びＣｏ－Ｆｅ－Ｎｉ－Ｂ－Ｓｉ等がある。また、Ｆｅ系アモルファス材料には、例えばＦｅ－Ｂ－Ｓｉ、Ｆｅ－Ｂ－Ｓｉ－Ｃｒ、及びＦｅ－Ｎｉ－Ｍｏ－Ｂ等がある。更に、Ｎｉ系アモルファス材料には、例えばＮｉ－Ｃｒ－Ｆｅ－Ｓｉ－Ｂ、Ｎｉ－Ｓｉ－Ｂ及びＮｉ－Ｃｒ－Ｓｉ－Ｂ等がある。
　応力緩和層２７は、前述したように非磁性材料により形成されている。本実施形態では、応力緩和層２７が、酸化シリコン（ＳｉＯ2）により０．２ｍｍの厚さに形成されているものとする。
　応力緩和層２７を、アルミニウム又は銅等の非磁性金属により形成してもよい。但し、応力緩和層２７を非磁性金属により形成した場合は、梁２１ａ，２１ｂが湾曲した際に応力緩和層２７に渦電流が発生し、発電効率が低下することが考えられる。このため、応力緩和層２７は絶縁材料により形成することが好ましい。
　応力緩和層２７をポリイミド、ポリカーボネート又は繊維強化プラスチック等の靭性が高い絶縁材料により形成すると、梁２１ａ，２１ｂが繰り返し湾曲しても破損しにくい。ポリイミド、ポリカーボネート及び繊維強化プラスチック等により応力緩和層２７を形成する場合は、例えばこれらの材料をシート状に形成し、熱圧着又は接着剤で梁本体２６に接合する。
　応力緩和層２７を、ＳｉＯ2やアルミナ等の無機材料により形成してもよい。ＳｉＯ2やアルミナ等の無機材料は、ポリイミドやポリカーボネート等の有機材料に比べてヤング率が高いため、層厚を薄くしても同等の効果を得ることができる。
　梁２１ａ，２１ｂは、その長さやヤング率、及び可動端側の連結ヨーク２３ｂの重さ等に応じて固有振動数が変わる。発電デバイス２０に加えられる振動に応じて、梁２１ａ，２１ｂの長さやヤング率、及び可動端側の連結ヨーク２３ｂの重さを調整することが好ましい。応力緩和層２７は、ヤング率が大きな材料ほど厚さが薄くてよい傾向がある。
　本実施形態に係る発電デバイス２０は、例えば図６に示すように、連結ヨーク２３ａ側が支持体２９に固定される。発電デバイス２０に振動が加えられると、梁２１ａ，２１ｂが振動に応じて湾曲し、梁２１ａ，２１ｂを通る磁束の密度が変化する。これにより、コイル２２ａ，２２ｂ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２２ａ，２２ｂ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。
　図７は、梁２１ａ，２１ｂが“Ｓ”字状に湾曲したときの応力分布をシミュレーション計算して求めた結果を表した図である。
　図７に示すように梁２１ａ，２１ｂが“Ｓ”字状に湾曲した場合、連結ヨーク２３ａ側では梁２１ａ，２１ｂの一方の面側（図７では上側）に大きな引張応力が発生し、他方の面側（図７では下側）に大きな圧縮応力が発生する。また、連結ヨーク２３ｂ側では梁２１ａ，２１ｂの一方の面側（図７では上側）に大きな圧縮応力が発生し、他方の面側（図７では下側）に大きな引張応力が発生する。
　しかし、図７からわかるように、梁２１ａ，２１ｂの連結ヨーク２３ａ側の部分において、梁本体２６の部分では主に引張応力が発生しており、応力緩和層２７の部分では主に圧縮応力が発生している。また、梁２１ａ，２１ｂの連結ヨーク２３ｂ側の部分において、梁本体２６の部分では主に引張応力が発生し、応力緩和層２７の部分では主に圧縮応力が発生している。
　すなわち、本実施形態に係る発電デバイス２０では、梁２１ａ，２１ｂが図７のように湾曲した場合、磁歪材料により形成された梁本体２６の厚さ方向及び長さ方向のほぼ全体にわたって引張応力が発生する。また、梁２１ａ，２１ｂが図７に示す方向と逆方向に湾曲した場合は、梁本体２６の厚さ方向及び長さ方向のほぼ全体にわたって圧縮応力が発生する。
　このように、本実施形態に係る発電デバイス２０では、磁歪材料により形成された梁本体２６の厚さ方向及び長さ方向のほぼ全体にわたって引張応力又は圧縮応力が発生するので、発電効率が高い。このため、本実施形態に係る発電デバイス２０は、小さな振動で大きな電力を取り出すことができる。
　（変形例）
　第１の実施形態では、図８（ｂ）のように梁本体２６の中央から連結ヨーク２３ａまでの領域では応力緩和層２７が梁本体２６の内側に配置されており、梁本体２６の中央から連結ヨーク２３ｂまでの領域では応力緩和層２７が梁本体２６の外側に配置されている。
　しかし、応力緩和層２７は、図８（ａ）に示すように、梁２１ａ，２１ｂの中央部に形成されていなくてもよい。また、図８（ｃ）に示すように、梁２１ａ，２１ｂの一方の面側に形成された応力緩和層２７と他方の面側に形成された応力緩和層２７とが、梁２１ａ，２１ｂの中央部で梁本体２６を挟んで対向するようにしてもよい。応力緩和層２７の形成範囲を図８（ａ）～（ｃ）のように変化させることにより梁２１ａ，２１ｂのばね定数が変化し、発電デバイス２０の固有振動数が変化する。
　また、図９に示すように、応力緩和層２７を、異なる材料からなる複数の層２７ａ，２７ｂにより形成してもよい。応力緩和層２７を形成する各層２７ａ，２７ｂの材質及び厚さ等により、梁２１ａ，２１ｂに発生する圧縮応力及び引張応力の分布が変化する。
　更に、図７からわかるように、応力緩和層２７に発生する圧縮応力は、連結ヨーク２３ａ，２３ｂ側で大きく、梁２１ａ，２１ｂの中央側で小さい。従って、図１０のように応力緩和層２７の厚さを、連結ヨーク２３ａ，２３ｂ側で厚く、中央側で薄くなるようにしてもよい。梁本体２６に応力緩和層２７を被着させると梁本体２６のばね定数が変化するが、図１０のように応力緩和層２７の厚さを梁本体２６の長さ方向で変化させることにより、ばね定数の変化を抑制することができる。
　更に、応力緩和層２７は梁２１ａ，２１ｂの内側又は外側のいずれか一方にしか形成されていなくてもよい。この場合は、図５，図６に示す発電デバイス２０よりも発電効率が低下するものの、図１に示す発電デバイス１０よりは発電効率が高くなる。
　（第２の実施形態）
　図１１は、第２の実施形態に係る発電デバイスを示す模式図である。
　本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、応力緩和層が梁を形成する磁歪材料とは逆の極性を有する磁歪材料により形成されている点にあり、その他の構造は基本的に第１の実施形態と同様である。ここでは、第１の実施形態と重複する部分の図示及び説明を省略する。
　本実施形態に係る発電デバイス２０ａは、連結部材２３ａ，２３ｂと、梁２１ａ，２１ｂとを有する。梁２１ａ，２１ｂは梁本体２６と、梁本体２６を部分的に覆う応力緩和層２８とを有する。梁２１ａ，２１ｂには、それぞれコイル２２ａ，２２ｂが巻回されている。
　梁本体２６は、第１の実施形態と同様に、例えばＦｅ－Ｇａ合金、Ｆｅ－Ｃｏ合金、Ｆｅ－Ｃｏアモルファス材料、Ｆｅ系アモルファス材料、又はＮｉ系アモルファス材料により形成されている。
　一方、応力緩和層２８は、梁本体２６を形成する磁歪材料と逆極性の磁歪特性を有する金属により形成されている。上述した磁歪材料とは逆極性の磁歪特性を有する金属には、例えばＳｍ－Ｆｅ、Ｍｇ－Ｃｕ、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｓｍ－Ｄｙ、Ｃｏ－Ｓｉ－Ｂ等がある。
　本実施形態に係る発電デバイス２０ａは、上述したように応力緩和層２８が梁本体２６を形成する磁歪材料と逆極性の磁歪特性を有する金属により形成されている。例えば、梁２１ａ，２１ｂが図７のように湾曲すると、梁本体２６に引張応力が発生し、応力緩和層２８に圧縮応力が発生する。この場合、梁本体２６と応力緩和層２８との磁歪特性が相互に逆であるので、梁本体２６の磁束密度の変化方向と応力緩和層２８の磁束密度の変化方向とが同じになる。このため、梁２１ａ，２１ｂに巻回されたコイル２２ａ，２２ｂには大きな電流が流れ、大きな電力を取り出すことができる。
　（第３の実施形態）
　図１２（ａ）～（ｄ）は、いずれも第３の実施形態に係る発電デバイスを示す模式図である。なお、図１２（ａ）～（ｄ）において、図６と同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
　図１２（ａ）に示す発電デバイス３０ａは、梁２１ｂの連結ヨーク２３ａ側の端部に磁石３１ａのＮ極が接続されており、梁２１ｂの連結ヨーク２３ｂ側の端部に磁石３１ｂのＳ極が接続されている。また、梁２１ａの連結ヨーク２３ａ側の端部に磁石３１ｃのＮ極が接続されており、梁２１ａの連結ヨーク２３ｂ側の端部に磁石３１ｄのＳ極が接続されている。
　これらの磁石３１ａ～３１ｄにより、梁２１ａ，２１ｂにはそれぞれ連結ヨーク２３ａから連結ヨーク２３ｂに向かう方向に磁路が形成される。梁２１ａ，２１ｂは、第１の実施形態と同様に磁歪材料により形成された梁本体２６と、梁本体２６を部分的に被覆する応力緩和層２７とを有する。また、梁２１ａ，２１ｂの周囲には、それぞれコイル（図示せず）が巻回されている。
　図１２（ｂ）に示す発電デバイス３０ｂは、梁２１ｂの連結ヨーク２３ａ側の端部に磁石３２ａのＮ極が接続されており、梁２１ｂの連結ヨーク２３ｂ側の端部に磁石３１ｂのＳ極が接続されている。また、梁２１ａの連結ヨーク２３ａ側の端部に磁石３１ｃのＳ極が接続されており、梁２１ａの連結ヨーク２３ｂ側の端部に磁石３１ｄのＮ極が接続されている。
　これらの磁石３１ａ～３１ｄにより、梁２１ｂの連結ヨーク２３ａ側端部から連結ヨーク２３ｂ側端部に向かう磁路と、梁２１ａの連結ヨーク２３ｂ側端部から連結ヨーク２３ａ側端部に向かう磁路とが形成される。梁２１ａ，２１ｂは、第１の実施形態と同様に磁歪材料により形成された梁本体２６と、梁本体２６を部分的に被覆する応力緩和層２７とを有する。また、梁２１ａ，２１ｂの周囲には、それぞれコイル（図示せず）が巻回されている。
　図１２（ｃ）に示す発電デバイス３０ｃは、梁２１ｂの連結ヨーク２３ａ側の端部に磁石３３ａのＮ極が接続されており、梁２１ｂの連結ヨーク２３ｂ側の端部に磁石３３ｂのＳ極が接続されている。また、梁２１ａ，２１ｂの連結ヨーク２３ａ側の端部は磁性体３４ａにより磁気的に接続されており、梁２１ａ，２１ｂの連結ヨーク２３ｂ側の端部は磁性体３４ｂにより磁気的に接続されている。
　これらの磁石３３ａ，３３ｂ及び磁性体３４ａ，３４ｂにより、梁２１ａ，２１ｂにはそれぞれ連結ヨーク２３ａから連結ヨーク２３ｂに向かう方向に磁路が形成される。梁２１ａ，２１ｂは、第１の実施形態と同様に磁歪材料により形成された梁本体２６と、梁本体２６を部分的に被覆する応力緩和層２７とを有する。また、梁２１ａ，２１ｂの周囲には、それぞれコイル（図示せず）が巻回されている。
　図１２（ｄ）に示す発電デバイス３０ｄは、梁２１ｂの連結ヨーク２３ａ側の端部に磁石３５ａのＮ極が接続されており、梁２１ａの連結ヨーク２３ｂ側の端部に磁石３５ｂのＳ極が接続されている。また、梁２１ａ，２１ｂの連結ヨーク２３ａ側の端部は磁性体３４ａにより磁気的に接続されており、梁２１ａ，２１ｂの連結ヨーク２３ｂ側の端部は磁性体３４ｂにより磁気的に接続されている。
　これらの磁石３５ａ，３５ｂ及び磁性体３４ａ，３４ｂにより、梁２１ａ，２１ｂにはそれぞれ連結ヨーク２３ａから連結ヨーク２３ｂに向かう方向に磁路が形成される。梁２１ａ，２１ｂは、第１の実施形態と同様に磁歪材料により形成された梁本体２６と、梁本体２６を部分的に被覆する応力緩和層２７とを有する。また、梁２１ａ，２１ｂの周囲には、それぞれコイル（図示せず）が巻回されている。
　これらの発電デバイス３０ａ～３０ｄにおいても、第１の実施形態と同様に磁歪材料により形成された梁本体２６の厚さ方向及び長さ方向にほぼ全体にわたって引張応力又は圧縮応力が発生するので、発電効率が高い。
　なお、図１２（ｂ）に示すように梁２１ａ，２１ｂを通る磁束の方向が異なる場合は、図１３（ａ）のように各梁２１ａ，２１ｂに個別にコイル３６ａ，３６ｂを巻回してもよく、図１３（ｂ）のように梁２１ａ，２１ｂを同時にくるむようにコイル３６ｃを巻回してもよい。
　図１３（ｂ）のように梁２１ａ，２１ｂを同時にくるむようにコイル３６ｃを巻回した場合は、部品点数が削減されるため、製品コストを低減できる。また、梁２１ａ，２１ｂ間の間隔を狭くすることができるため、発電デバイスの小型化が可能になるという利点もある。
　（第４の実施形態）
　図１４は、第４の実施形態に係る発電デバイスを示す模式断面図である。
　図１４に示す発電デバイス４０は、梁２１ａ，２１ｂと、連結ヨーク４３ａ，４３ｂと、永久磁石４４ａ，４４ｂと、梁２１ａ，２１ｂの周囲に巻回されたコイル４６ａ，４６ｂとを有する。梁２１ａ，２１ｂは、第１の実施形態と同様に、磁歪材料により形成された梁本体２６と、梁本体２６を部分的に覆う応力緩和層２７とを有する。
　梁２１ａ，２１ｂの一方の端部は連結ヨーク４３ａにより連結されており、他方の端部は連結ヨーク４３ｂにより連結されている。また、梁２１ａ，２１ｂの連結ヨーク２４ａ側の端部間には磁石４４ａが配置されている。この磁石４４ａは、Ｎ極が梁２１ｂに接続され、Ｓ極が梁２１ａに接続されている。また、梁２１ａ，２１ｂの連結ヨーク４３ｂ側の端部間には磁石４４ｂ配置されている。この磁石４４ｂは、Ｓ極が梁２１ｂに接続され、Ｎ極が梁２１ａに接続されている。
　これらの磁石４４ａ，４４ｂにより、梁２１ｂ、磁石４４ｂ、梁２１ａ、磁石４４ａを順に通る周回磁路が形成される。なお、本実施形態では梁２１ａ，２１ｂに個別にコイル４６ａ、４６ｂを巻回しているが、図１３（ｂ）のように梁２１ａ，２１ｂを同時にくるむようにコイルを巻回してもよい。
　本実施形態においては、磁石４４ａのＮ極及びＳ極と磁石４４ｂのＳ極及びＮ極とが梁２１ａ，２１ｂを介して磁気的に接続されている。このため、バックヨークが不要であり、バックヨークによって梁２１ａ，２１の湾曲が阻害されることがない。従って、本実施形態に係る発電デバイス４０は、発電効率をより一層向上させることができる。
　（第５の実施形態）
　図１５は、第５の実施形態に係る発電デバイスを示す模式断面図である。
　本実施形態に係る発電デバイス５０は、梁５１ａ，５１ｂと、コイル５６と、連結ヨーク５３ａ，５３ｂと、永久磁石５４ａ，５４ｂと、応力緩和層５７を有する。
　梁５１ａ，５１ｂはいずれも磁歪材料により細長い薄板状に形成されている。これらの梁５１ａ，５１ｂは相互に対向して配置され、梁５１ａ，５１ｂ間には非磁性材料により形成された応力緩和層５７が、梁５１ａ，５１ｂ間の隙間を埋めるように配置されている。また、梁５１ａ，５１ｂの一方の端部は連結ヨーク５３ａにより連結され、他方の端部は連結ヨーク５３ｂにより連結されている。
　磁石５４ａは梁５１ａ，５１ｂの連結ヨーク５３ａ側の端部間に配置されている。この磁石５４ａは、Ｎ極が梁５１ｂに接続され、Ｓ極が梁５１ａに接続されている。また、磁石５４ｂは梁５１ａ，５１ｂの連結ヨーク５３ｂ側の端部間に配置されている。この磁石５４ｂは、Ｓ極が梁５１ｂに接続され、Ｎ極が梁５１ａに接続されている。
　これらの磁石５４ａ，５４ｂにより、梁５１ｂの連結ヨーク５３ａ側端部から連結ヨーク５３ｂ側端部に向かう磁路と、梁５１ａの連結ヨーク５３ｂ側端部から連結ヨーク５３ａ側端部に向かう磁路とが形成される。梁５１ａ，５１ｂの周囲にはコイル５６が巻回されている。
　本実施形態においては、梁５１ａ，５１ｂ間に、梁５１ａ，５１ｂ間の隙間を埋めるように応力緩和層５７が配置されているので、振動が加えられると梁５１ａ，５１ｂのいずれか一方には圧縮応力が発生し、他方には引張応力が発生する。本実施形態においても、発電効率が高い発電デバイスが得られる。
　（第６の実施形態）
　図１６は、第６の実施形態に係る発電デバイスを示す模式断面図である。
　本実施形態に係る発電デバイス６０は、梁６１ａ，６１ｂと、連結ヨーク５２ａ，５２ｂと、梁６１ａ，６１ｂの周囲にそれぞれ巻回されたコイル６２ａ，６２ｂとを有する。
　梁６１ａ，６１ｂは、自発磁化を有するメタ磁性形状記憶合金又は強磁性形状記憶合金により形成された梁本体６６と、梁本体６６の表面を部分的に覆う応力緩和層６７とを有する。
　メタ磁性形状記憶合金には、例えばＮｉ・Ｃｏ・Ｍｎ・Ｉｎ合金、及びＮｉ・Ｍｎ・Ｉｎ合金等がある。また、強磁性形状記憶合金には、例えばＮｉ・Ｍｎ・Ｇａ合金、Ｎｉ・Ｍｎ・Ａｌ合金、Ｎｉ・Ｍｎ・Ｉｎ合金、Ｎｉ・Ｍｎ・Ｓｂ合金、Ｎｉ・Ｍｎ・Ｓｎ合金、Ｃｏ・Ｎｉ・Ｇａ合金、Ｃｏ・Ｎｉ・Ａｌ合金、Ｎｉ・Ｆｅ・Ａｌ合金、Ｎｉ・Ｆｅ・Ｇａ合金、Ｃｕ・Ｍｎ・Ｇａ合金、Ｆｅ・Ｐｔ合金、及びＦｅ・Ｐｄ合金等がある。
　発電デバイス６０に振動が加えられると、梁６１ａ，６１ｂが湾曲して歪が発生し、梁本体６６の磁力が変化する。これにより、コイルに電流が流れ、コイルから電力を取り出すことが可能になる。
　本実施形態においても、第１の実施形態と同様に梁６１ａ，６１ｂを部分的に覆う応力緩和層６７が設けられているので、発電効率が高く、大きな電力を取り出すことができる。また、本実施形態では、磁石を別箇に用意する必要がないので、発電デバイスの小型化が可能であるという利点もある。
　なお、図１７に示すように、梁６１ａ，６１ｂの端部に磁石６４ａ～６４ｄを取り付けてもよい。これにより、発電デバイスの小型化は阻害されるものの、磁力の変化を大きくすることができ、図１６に示す発電デバイス６０に比べて発電効率がより一層向上する。
　（第７の実施形態）
　図１８は、第７の実施形態に係る発電デバイスを示す模式断面図である。
　本実施形態に係る発電デバイス７０は、梁７１ａ，７１ｂと、連結ヨーク７３ａ，７３ｂと、梁７１ａ，７１ｂの周囲にそれぞれ巻回されたコイル７２ａ，７２ｂとを有する。なお、図１８には図示していないが、本実施形態に係る発電デバイス７０においても、例えば図１に示す発電デバイス１０と同様に磁石及びバックヨークを有している。
　梁７１ａ，７１ｂは、磁歪層７６ａと絶縁層７６ｂとを交互に積層した構造を有する。磁歪層７６ａは例えば厚さが２５μｍの日立金属株式会社製Ｆｅ系アモルファス材料メトグラス（２６０５ＳＡ１、Ｆｅ－Ｂ－Ｓｉ等）の磁歪材料により形成されており、絶縁層７６ｂは例えば厚さが２μｍのエポキシ又はシアノアクリルレート等の絶縁材料により形成されている。また、磁歪層７６ａと絶縁層７６ｂとの総積層数は、例えば２０～３０層である。
　本実施形態においては、梁７１ａ，７１ｂが磁歪層７６ａと絶縁層７６ｂとの積層構造を有するため、梁７１ａ，７１ｂが湾曲したときに磁歪層７６ａに発生する渦電流が抑制される。これにより、発電効率が高い発電デバイスが得られる。
　なお、梁７１ａ，７１ｂの表面に、図１９に示すように応力緩和層７７を形成してもよい。これにより、発電デバイス７０の発電効率がより一層向上する。
　（その他の実施形態）
　上述した各実施形態ではいずれも梁の本数が２本の場合について説明したが、例えば図２０（ａ），（ｂ）に示すように梁の数は２本に限定されるものではない。
　図２０（ａ）に示す発電デバイス８０ａは、連結ヨーク８３ａ，８３ｂ間に３本の梁８１ａ，８１ｂ，８１ｃが配置されている。梁８１ａ，８１ｂ，８１ｃの周囲には、それぞれコイル８２ａ，８２ｂ，８３ｃが巻回されている。
　中央に配置された梁８１ｂは、磁歪材料により形成されている。また、梁８１ｂを挟む位置に配置された梁８１ａ，８１ｃは、磁歪材料により形成された梁本体８６と、梁本体８６の表面を部分的に覆う応力緩和層８７とを有する。
　図２０（ｂ）に示す発電デバイス８０ｂは、連結ヨーク８３ａ，８３ｂ間に４本の梁８１ａ～８１ｄが配置されている。それらの梁８１ａ～８１ｄの周囲には、それぞれコイル８２ａ～８２ｄが巻回されている。
　梁８１ａ～８１ｄは、いずれも磁歪材料により形成された梁本体８６と、梁本体８６の表面を部分的に覆う応力緩和層８７とを有する。
　これらの発電デバイス８０ａ，８０ｂにおいても、第１の実施形態と同様に発電効率が高く、小さな振動で大きな電力を取り出すことができる。
　なお、上述した各実施形態の発電デバイスは、電子機器に駆動電力を供給する電源として使用することができるが、振動を検出するセンサとして使用することもできる。
                                                                                

Claims (16)

  1. 　相互に対向して配置されて振動により湾曲する第１の梁及び第２の梁と、
    　前記第１の梁及び前記第２の梁の周囲に巻回されたコイルとを有し、
    　前記第１の梁及び前記第２の梁は、梁本体と、前記梁本体とは異なる材料により形成されて前記梁本体の表面の一部を覆う応力緩和層とを有することを特徴とする発電デバイス。
  2. 　前記梁本体が、磁歪材料により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発電デバイス。
  3. 　前記梁本体が、メタ磁性形状記憶合金又は強磁性形状記憶合金により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発電デバイス。
  4. 　前記応力緩和層は、前記第１の梁及び前記第２の梁の一方の端部側では対向面側に配置され、他方の端部側では対向面と反対側に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発電デバイス。
  5. 　前記応力緩和層が、絶縁材料により形成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項に記載の発電デバイス。
  6. 　前記応力緩和層の材質が、酸化シリコン、アルミナ、ポリイミド、ポリカーボネート及び繊維強化プラスチックのいずれか一種であることを特徴とする請求項５に記載の発電デバイス。
  7. 　前記応力緩和層が、非磁性金属により形成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項に記載の発電デバイス。
  8. 　前記応力緩和層が、前記梁本体を形成する磁性材料とは逆極性の磁性材料により形成されていることを特徴とする請求項２に記載の発電デバイス。
  9. 　前記応力緩和層は、前記第１の梁及び前記第２の梁の端部側の厚さが、中央側の厚さよりも厚いことを特徴とする請求項４に記載の発電デバイス。
  10. 　前記第１の梁の端部と前記第２の梁の端部との間に磁石が配置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項に記載の発電デバイス。
  11. 　前記第１の梁を通る磁束の方向と前記第２の梁を通る磁束の方向とが異なることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発電デバイス。
  12. 　前記コイルは、前記第１の梁及び前記第２の梁を同時にくるむように巻回されていることを特徴とする請求項１１に記載の発電デバイス。
  13. 　前記第１の梁と前記第２の梁と前記磁石とにより、周回磁路が形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の発電デバイス。
  14. 　相互に対向して配置されて振動により湾曲する第１の梁及び第２の梁と、
    　前記第１の梁及び前記第２の梁の周囲に巻回されたコイルとを有し、
    　前記第１の梁及び前記第２の梁の少なくとも一方が、磁歪材料のより形成された層と絶縁材料により形成された層とを交互に積層した構造を有することを特徴とする発電デバイス。
  15. 　前記磁歪材料により形成された層の厚さが、前記絶縁材料により形成された層の厚さよりも厚いことを特徴とする請求項１４に記載の発電デバイス。
  16. 　前記第１の梁及び前記第２の梁の表面の一部を覆う応力緩和層を有することを特徴とする請求項１４又は１５に記載の発電デバイス。
                                                                                    
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