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公開番号2021103921
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210715
出願番号2019234429
出願日20191225
発明の名称発電用磁歪素子および磁歪発電デバイス
出願人日鉄ケミカル&マテリアル株式会社
代理人特許業務法人鷲田国際特許事務所
主分類H02N 2/18 20060101AFI20210618BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】磁歪発電用素子の磁歪材料として使用されているFeGa合金、FeCo合金、FeAl合金と比べて低コストでありながらも、従来技術と同等またはそれらを超える磁歪発電量を達成することのできる、発電用磁歪素子および磁歪発電デバイスを提供すること。
【解決手段】電磁鋼板から形成される磁歪部を含む発電用磁歪素子、および電磁鋼板から形成される磁歪部を含む発電用磁歪素子を備える磁歪発電デバイスを提供する。
【選択図】図3
特許請求の範囲【請求項1】
電磁鋼板から形成される磁歪部を含む、発電用磁歪素子。
続きを表示(約 370 文字)【請求項2】
前記電磁鋼板が方向性電磁鋼板である、請求項1に記載の発電用磁歪素子。
【請求項3】
前記電磁鋼板が無方向性電磁鋼板である、請求項1に記載の発電用磁歪素子。
【請求項4】
前記電磁鋼板に積層された弾性材料から形成される応力制御部をさらに含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の発電用磁歪素子。
【請求項5】
前記弾性材料が非磁性材料である、請求項4に記載の発電用磁歪素子。
【請求項6】
電磁鋼板から形成される磁歪部を含む発電用磁歪素子を備える、磁歪発電デバイス。
【請求項7】
前記電磁鋼板が方向性電磁鋼板であり、
前記方向性電磁鋼板の[100]方向にバイアス磁場が印可されるように構成されている、請求項6に記載の磁歪発電デバイス。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、発電用磁歪素子および磁歪発電デバイスに関する。
続きを表示(約 6,500 文字)【背景技術】
【0002】
近年発展しているモノのインターネット(Internet of Things、以下「IoT」と略す)の利用においては、モノとインターネットとの接続のために、センサ、電源、および無線通信装置等が一体となった無線センサモジュールを使用する。このような無線センサモジュールの電源として、電池交換や充電作業等の人手による定期的なメンテナンスの必要なしに、設置場所の環境で発生しているエネルギーから電力を発生させることが可能な発電装置の開発が望まれている。
【0003】
このような発電装置の一例が、磁歪の逆効果である逆磁歪を使用した磁歪式振動発電装置である。逆磁歪とは、磁歪材料に振動などによって歪みが加えられたときに、磁歪材料の磁化が変化する現象である。磁歪式振動発電は、振動により磁歪材料に歪みを加えて、逆磁歪効果により発生する磁化の変化を、電磁誘導の法則により、磁歪素子の周囲に巻かれたコイルに起電力を発生させるものである。
【0004】
従来、磁歪材料の発電性能を高めるためには、その磁歪量を増加させる方法が試みられてきた。これは、磁歪量が大きいほど、磁歪材料に引っ張り歪みと圧縮歪みを交互に負荷した場合、逆磁歪を利用した磁束密度の変化(ΔB)が大きくなり、発電出力も大きくなるからである。このような観点から、磁歪量の大きな材料として、FeGa合金、FeCo合金、FeAl合金等が開発され、これらの磁歪材料を用いた発電デバイスも開発されている(特許文献1〜6)。
【0005】
例えば、特許文献1に記載の発電デバイスにおいては、発電性能を向上させて品質のバラツキを低減するために、磁歪材料と軟磁性材料とを貼り合わせ、磁歪材料の磁化によって軟磁性材料の磁化を変化させる。こうすることで、磁歪材料の磁化の変化による電圧に加えて、軟磁性材料の磁化の変化による電圧も検出用コイルに誘起させる。使用する磁歪材料としては、FeCo、FeAl、Ni、NiFe、NiCo等が記載されており、軟磁性材としては、Fe、FeNi、FeSi、電磁ステンレスが記載されている。
【0006】
特許文献2に記載の発電デバイスにおいては、起電力の向上、製造コストの低減、量産性の向上のために、磁歪材料と磁性材料とを合わせた平行梁構造を作製し、磁性材料をバイアス磁場によって磁気飽和させた状態で使用する構造を有するアクチュエータが開示されている。当該アクチュエータにおいては、バックヨークをコの字状とし、中立面を磁歪材料の外に設け、振動によるバイアス磁場の変化を磁歪材料の磁化の変化に重畳させて起電力を向上させる。磁歪材料としてFeGa、FeCo、FeAl、FeSiB、アモルファス材料等が記載されており、磁性材料としては、SPCC、炭素鋼(SS400、SC、SK、SK2)、フェライト系ステンレス鋼(SUS430)等が記載されている。
【0007】
特許文献3は、発電効率の向上、一様な応力負荷のために、磁歪材料と補強材としての非磁性材料とを貼り合わせ、磁歪材料と補強材の断面積比を補強材/磁歪材料>0.8になるように規定した発電素子が開示されている。磁歪材料としてはFeGa、FeCo、FeNi等が記載されており、補強材としてはフィラー含有樹脂、Al、Mg、Zn、Cu等が記載されている。
【0008】
特許文献4の発電デバイスにおいては、発電出力を向上させるために、コイルの巻数を多くすることのできる構造が採用されている。具体的には、磁歪板と非磁性構造体とを面接合した構造を作製し、磁歪板からコイルが巻かれたUの字状ヨークに磁界を還流させる。磁歪板としては、FeGaおよびFeCoが記載されており、非磁性構造体としてはステンレス(SUS304、等)が記載されている。
【0009】
特許文献5の発電デバイスにおいては、発電効率の向上および一様な応力負荷のために、磁歪材料と非磁性材料(補強材)とを貼り合わせた構造体を作製し、当該構造体を2本の平行梁として用いている。磁歪材料としては、FeGa、FeCo、FeCo系アモルファス、Fe系アモルファス、Ni系アモルファス、メタ磁性形状記憶合金、強磁性形状記憶合金等が記載されており、非磁性材料としては、酸化シリコン、アルミナ、ポリイミド、ポリカーボネード、繊維強化プラスチック、非磁性金属(Al、Cu)等が記載されている。
【0010】
特許文献6の発電デバイスにおいては、発電出力の向上のために、磁歪材料と磁性材料とを離した平行梁とした構造を使用する。当該構造によって、磁性材料を磁気飽和させない状態で使用し、磁歪材料の磁束の変化によって磁性材料の磁束を変化させ、磁歪材料による誘起電圧に、磁性材料による誘起電圧を足し合せた電圧を取り出せる設計としている。磁歪材料としては、FeGa、FeCo、FeNi、FeDyTeが記載されており、磁性材料としては、フェライト系ステンレス鋼、FeSi、NiFe、CoFe、SmCo、NdFeB、CoCr、CoPtが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0011】
国際公開第2018/230154号
特開2018−148791号公報
国際公開第2014/021197号
国際公開第2013/038682号
国際公開第2013/186876号
特開2015−70741号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
特許文献1〜6の記載から明らかなように、磁歪発電素子および磁歪発電デバイスにおいては、種々の磁歪材料が他の材料と共に使用されている。磁歪材料としては、最も磁歪量の大きな材料として知られるFeGa合金が特許文献2〜6に記載されているが、FeGa合金は単結晶引き上げ方法(CZ法)で製造されるため、非常に高価である。特許文献1〜6に記載されているFeCo合金は圧延法で製造されるが、Coを含有しているため、やはり高価である。また、特許文献1および2に記載されているFeAl合金は、FeGa合金やFeCo合金と比べて安価ではあるものの、やはり高価ある。さらに靭性が低く、通常の圧延法で板形状に製造することが容易ではないといった問題も有している。
【0013】
このように従来使用されている磁歪材料であるFeGa合金、FeCo合金、FeAl合金は、その<100>方向の磁歪量であるλ100が80ppm以上と大きいため、発電用磁歪素子に用いる磁歪材料として数々の特許文献に記載されている。しかし、これら磁歪材料には、製造コストが高いことや、成形に限界があるといった問題が存在する。
【0014】
また、特許文献1および特許文献6には、軟磁性材料としてFeSi合金(電磁鋼板)が記載されているが、いずれも磁歪材料と貼り合わせる相手材としての使用であって、磁歪材料としての使用ではない。このようなFeSi合金の使用は、従来の磁気回路における一般的なFeSi合金の使用方法である。
【課題を解決するための手段】
【0015】
上記課題に鑑み、本発明の第一は、下記の発電用磁歪素子である。
[1] 電磁鋼板から形成される磁歪部を含む、発電用磁歪素子。
[2] 前記電磁鋼板が方向性電磁鋼板である、[1]に記載の発電用磁歪素子。
[3] 前記電磁鋼板が無方向性電磁鋼板である、[1]に記載の発電用磁歪素子。
[4] 前記電磁鋼板に積層された弾性材料から形成される応力制御部をさらに含む、請求項[1]〜[3]のいずれかに記載の発電用磁歪素子。
[5] 前記弾性材料が非磁性材料である、[4]に記載の発電用磁歪素子。
【0016】
本発明の第二は、下記の磁歪発電デバイスである。
[6] 電磁鋼板から形成される磁歪部を含む発電用磁歪素子を備える、磁歪発電デバイス。
[7] 前記電磁鋼板が方向性電磁鋼板であり、前記方向性電磁鋼板の[100]方向にバイアス磁場が印可されるように構成されている、[6]に記載の磁歪発電デバイス。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば、発電用磁歪素子の磁歪材料として使用されているFeGa合金、FeCo合金、FeAl合金と比べて低コストでありながらも、従来技術と同等またはそれらを超える磁歪発電量を達成することのできる、発電用磁歪素子および磁歪発電デバイスが提供される。
【図面の簡単な説明】
【0018】
磁歪素子に曲げ歪みを加えて、磁束密度変化ΔBを測定するためのユニットの模式図である。
磁歪素子の一軸方向に引っ張り歪みおよび圧縮歪みを加えて、磁束密度変化ΔBを測定するためのユニットの模式図である。
実施例において使用した、磁歪素子の評価用の磁歪振動デバイスの構造を示す模式図である。
実施例9で実施したスイッチ的に単発で振動させた場合の電圧減衰波形である。
参考例で製造したFeCo合金の結晶方位を観察した結果である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
上述したように、従来技術において発電用の磁歪材料として記載されているのは、主に、飽和磁歪が約200ppmレベルのFeGa合金、あるいは、飽和磁歪が80ppmレベルのFeCo合金やFeAl合金といった、飽和磁歪の大きな材料である。これは飽和磁歪が大きい程、磁歪材料に歪みを与えた場合に発生する磁気弾性エネルギーも大きく、このエネルギーを下げるために磁歪材料内の磁化の向きが変化し易くなるためである。そして、磁化の向きが変化し易い程、検出用コイルに誘起される電圧は大きくなる。言い換えれば、飽和磁歪が8ppmレベルの電磁鋼板(即ち、FeSi合金)を発電用磁歪材料として用いることは、従来想定されていなかった。
【0020】
また、電磁鋼板は、従来、トランスやモーターの磁気回路を構成するためのヨーク材として用いられる材料である。このような用途においては、エネルギー損失となる鉄損を下げるために、電磁鋼板の磁歪を下げる取り組みが行われていた。従って、当該分野においては、電磁鋼板を磁歪材料として発電用磁歪素子に用いる発想すらなかった。
【0021】
このような状況において本発明者らは、飽和磁歪の小さな電磁鋼板であっても、発電用磁歪素子における磁歪材料として使用することで、FeCo合金等と同等またはそれらを超える発電量を達成しうることを見出し、本発明を完成するに至った。
【0022】
以下に、例示的な実施形態を挙げて本発明の説明を行うが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
【0023】
1.発電用磁歪素子
本発明は、電磁鋼板から形成される磁歪部を含む、発電用磁歪素子に関する。
本発明において「発電用磁歪素子」(以下、しばしば、「磁歪素子」と略す場合もある)とは、磁歪特性、即ち、磁場の印加による形状変化(即ち、歪み)、を示す磁性材料によって形成された磁歪部を有し、磁歪部の逆磁歪に基づく発電が可能な素子を意味する。
【0024】
本発明の発電用磁歪素子における磁歪部は、電磁鋼板から形成される。本発明において「電磁鋼板」とは、鉄(Fe)にケイ素(Si)を添加して鉄の磁気特性を向上させた、「ケイ素鋼板」と呼ばれることもある機能材料である。本発明における電磁鋼板は、ケイ素の含有量が0.5%以上4%以下の電磁鋼板である。ケイ素の含有量が0.5%以上4%以下の電磁鋼板はケイ素添加による電気抵抗の増加によって、交流振動における磁化変化を妨げる渦電流の発生を抑制できるため、磁歪部に用いるのに適している。
【0025】
さらに電磁鋼板には、方向性電磁鋼板と無方向性電磁鋼板とがあり、本発明においては、方向性電磁鋼板と無方向性電磁鋼板のどちらも磁歪部に使用可能である。方向性電磁鋼板とは、鋼板の圧延方向に金属結晶の結晶方位を揃えたものである。具体的には、その圧延方向に<100>方向を揃え、圧延面を(110)方位とした{110}[100]GOSS集合組織を有する電磁鋼板である。一方、無方向性電磁鋼板とは、金属結晶の結晶方位が一定の方向に揃えられていない、比較的ランダムな結晶方位を有するものである。方向性電磁鋼板も、無方向性電磁鋼板も、飽和磁歪がFeGa合金やFeCo合金よりも低い材料であるが、従来の磁歪材料と同等またはそれらを超える発電が可能である。その理由は明確ではないが、次のように推定される。
【0026】
上述したように、方向性電磁鋼板は、その圧延方向に<100>方向を揃え、圧延面を(110)方位とした{110}[100]GOSS集合組織を有する。本発明者らは、方向性電磁鋼板の[100]方向にバイアス磁場を印加した状態で、圧縮歪みを負荷した場合、方向性電磁鋼板の磁束密度が大きく変化することを新たに見出した。これは、方向性電磁鋼板の[100]方向に所定の磁場を印加すると、[100]方向に平行な180°磁区と90°磁区との割合が、両者が上手く相互作用する割合となり、方向性電磁鋼板に歪みを負荷した際に、180°磁区から90°磁区への変換、あるいは、90°磁区から180°磁区への変換が生じやすくなるためと考えられる。具体的には、180°磁区の磁化の方向に平行(すなわち、[100]方向)に圧縮歪みを負荷すると、180°磁区が減少して90°磁区が増加し、[100]方向に引っ張り歪みを負荷すると、90°磁区が減少して180°磁区が増加する。また、180°磁区の磁化の方向に垂直(すなわち、[110]方向)に圧縮歪みを負荷すると、90°磁区が減少して180°磁区が増加し、[110]方向に引っ張り歪みを負荷すると180°磁区が減少して90°磁区が増加する。これらの磁区の変化によって、方向性電磁鋼板の磁化が変化し、磁歪素子の磁歪部として機能する。磁歪発電デバイスにおいては、上記磁化の変化によって、磁歪素子に巻かれた検出用コイルに電圧が誘起される。
【0027】
また、無方向性電磁鋼板には方向性電磁鋼板のような結晶配向は存在しないが、バイアス磁場を印加した状態で歪みを負荷した場合に磁束密度が大きく変化することを見出した。無方向性電磁鋼板では、結晶方位が比較的ランダムであるために、方向性電磁鋼板に比べて磁区が小さい。そのために、歪みを負荷した場合、多数ある磁区の中でより動きやすい磁区から動くことが可能になるため、磁歪素子の磁歪部として使用した際に、大きな磁束密度の変化が得られると考えられる。
【0028】
本発明においては、方向性電磁鋼板の方が無方向性電磁鋼板よりも大きな磁化の変化を誘起しやすいことから、方向性電磁鋼板の方が磁歪部として好ましい。
【0029】
方向性電磁鋼板の具体例としては、例えば、日本製鉄のオリエントコア、オリエントコアハイビー(例えば、27ZH100)、オリエントコアハイビー・レーザー、オリエントコアハイビー・パーマネント、等が挙げられる。
【0030】
無方向性電磁鋼板の具体例としては、例えば、日本製鉄のハイライトコア(例えば、35H210)、ホームコア、等が挙げられる。
(【0031】以降は省略されています)

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