(57)【要約】【課題】磁歪定数が大きい磁歪部品の生産性を高めた振動発電デバイスの製造方法を提供する。【解決手段】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、粉末状の磁歪結晶材料Ｍ１を予め決められた磁歪部品形状の型（成形型１２）に充填して成形する成型工程１１と、成型工程１１にて成形された磁歪結晶材料を含む磁歪成形体１３を放電プラズマ焼結にて磁歪焼結体１６とする放電プラズマ焼結工程１４とを経て製造される。【選択図】図１
2020122176.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、磁歪結晶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結晶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、
粉末状の磁歪結晶材料を予め決められた前記磁歪部品形状の型に充填して成形する成型工程と、
前記成型工程にて成形された前記磁歪結晶材料を含む磁歪成形体を放電プラズマ焼結にて磁歪焼結体とする放電プラズマ焼結工程と、
を経て製造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２】
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、
前記磁歪結晶材料は、Ｆｅ−Ｇａ又はＦｅ−Ｃｏ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３】
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、
前記成型工程は、前記磁歪結晶材料以外に銅、アルミニウム、ホウ素、炭素のいずれかを添加したもので前記磁歪成形体を成形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４】
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、
前記磁歪結晶材料は、平均粒子径が４０乃至１００ｎｍに粉砕された粉末状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５】
請求項１乃至４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、
前記成型工程は、前記型に充填された前記磁歪結晶材料を２０ないし１００ＭＰａで一方向から加圧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６】
請求項１乃至５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、
前記放電プラズマ焼結工程は、焼結環境温度が８００℃以上で前記磁歪結晶材料の熔解温度未満の温度に保持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７】
請求項１乃至６のいずれか記載の振動発電デバイスの製造方法において、
前記放電プラズマ焼結工程は、前記成型工程で使用した型を焼結用型として兼用して実施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８】
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、
前記磁歪焼結体は多結晶体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９】
振動発電デバイスに用いられる磁歪部品を製造するに際し、
粉末状の磁歪結晶材料を予め決められた前記磁歪部品形状の型に充填して成形する成型工程と、
前記成型工程にて成形された前記磁歪結晶材料を含む磁歪成形体を放電プラズマ焼結にて磁歪焼結体とする放電プラズマ焼結工程と、
を経て製造されることを特徴とする磁歪部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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１〜３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。
更に、特許文献３には、Ｆｅ−Ｄｙ−Ｔｂ系の成分組成よりなるアモルファスのＦｅ−Ｄｙ−Ｔｂ系粉末を得た後、アモルファスのＦｅ−Ｄｙ−Ｔｂ系粉末を固化することによって、Ｆｅ−Ｄｙ−Ｔｂ系の成分組成よりなるアモルファスの超磁歪素子を得る超磁歪素子の製造方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１６６６９４号公報（発明を実施するための最良の形態，図１０）
【特許文献２】特許第４９０５８２０号公報（発明を実施するための形態，図４Ａ）
【特許文献３】特開平１１−１８９８５３号公報（実施例，図１，図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【０００５】
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。
更にまた、結晶育成には、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））などが採用可能であるが、結晶育成に時間がかかり、これも結晶の製造コストを押し上げている要因である。また、特許文献３にあっては、磁歪素子を構成する磁歪材料であるＦｅ−Ｄｙ−Ｔｂは非常に硬く脆い材料で、薄板の加工が非常に難しい。また、希土類を使った材料は高価であり、加工で無駄な部位を出したくないという要請もある。
このような状況を踏まえ、磁歪材料が含まれ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。
【０００６】
本発明が解決しようとする技術的課題は、磁歪定数が大きい磁歪部品の生産性を高めた振動発電デバイスの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、磁歪結晶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結晶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、粉末状の磁歪結晶材料を予め決められた前記磁歪部品形状の型に充填して成形する成型工程と、前記成型工程にて成形された前記磁歪結晶材料を含む磁歪成形体を放電プラズマ焼結にて磁歪焼結体とする放電プラズマ焼結工程と、を経て製造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。
【０００８】
本発明の第２の技術的特徴は、第１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、前記磁歪結晶材料は、Ｆｅ−Ｇａ又はＦｅ−Ｃｏ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、
前記成型工程は、前記磁歪結晶材料以外に銅、アルミニウム、ホウ素、炭素のいずれかを添加したもので前記磁歪成形体を成形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、前記磁歪結晶材料は、平均粒子径が４０乃至１００ｎｍに粉砕された粉末状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、前記成型工程は、前記型に充填された前記磁歪結晶材料を２０ないし１００ＭＰａで一方向から加圧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１乃至第５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、前記放電プラズマ焼結工程は、焼結環境温度が８００℃以上で前記磁歪結晶材料の熔解温度未満の温度に保持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、前記放電プラズマ焼結工程は、前記成型工程で使用した型を焼結用型として兼用して実施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、前記磁歪焼結体は多結晶体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。
【０００９】
本発明の第９の技術的特徴は、振動発電デバイスに用いられる磁歪部品を製造するに際し、粉末状の磁歪結晶材料を予め決められた前記磁歪部品形状の型に充填して成形する成型工程と、前記成型工程にて成形された前記磁歪結晶材料を含む磁歪成形体を放電プラズマ焼結にて磁歪焼結体とする放電プラズマ焼結工程と、を経て製造されることを特徴とする磁歪部品の製造方法である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の第１の技術的特徴によれば、磁歪定数の大きい磁歪部品の生産性を高めた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、磁歪定数が高く、安価で加工性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３の技術的特徴によれば、磁歪結晶材料以外の添加物を含まない場合に比べて、磁歪特性を向上させた磁歪部品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、平均粒子径が１００ｎｍを超える磁歪結晶材料を用いた場合に比べて、焼結密度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５の技術的特徴によれば、成形工程で無加圧にて成形する場合に比べて、磁歪結晶材料の充填密度をより高め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６の技術的特徴によれば、磁歪結晶材料の結晶性を向上させた磁歪焼結体からなる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、振動発電デバイスの磁歪部品を製造するに当たり、成型工程と放電プラズマ焼結工程とで使用する型を共用することができる。
本発明の第８の技術的特徴によれば、磁歪結晶材料の結晶性を維持し、安価で背手増性の高い磁歪焼結体からなる磁性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、磁歪定数の大きい磁歪部品の生産性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】（ａ）は本発明が適用された振動発電デバイスの実施の形態の概要を示す説明図、（ｂ）は（ａ）に示す振動発電デバイスで用いられる磁歪部品の構造例を示す説明図、（ｃ）は本実施の形態で用いられる磁歪部品の製造方法を示す説明図である。
【図２】（ａ）は実施の形態１に係る振動発電デバイスの構成例を示す説明図、（ｂ）は（ａ）で用いられる磁歪部品の構成例及び支持フレームへの取付例を示す説明図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は実施の形態１で用いられる磁歪部品の製造方法を説明する説明図であって、（ａ）は粉末状の磁歪結晶材料を型成形して磁歪成形体とする成型例、（ｂ）は（ａ）の成型工程で使用される成形型の一例、（ｃ）は磁歪成形体を放電プラズマ焼結にて磁歪焼結体とする放電プラズマ焼結工程を実施する放電プラズマ焼結装置の一例を夫々示す説明図である。
【図４】実施の形態２に係る振動発電デバイスの構成例を示す説明図である。
【図５】実施の形態３に係る振動発電デバイスの構成例を示す説明図、（ｂ）は支持フレームへの磁歪部品の取付例を示す説明図である。
【図６】（ａ）は実施の形態４に係る振動発電デバイスの構成例を示す説明図、（ｂ）は実施の形態４に係る振動発電デバイスの変形の形態４−１の要部を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
◎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、粉末状の磁歪結晶材料Ｍ１を予め決められた磁歪部品形状の型（成形型１２）に充填して成形する成型工程１１と、成型工程１１にて成形された磁歪結晶材料を含む磁歪成形体１３を放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）にて磁歪焼結体１６とする放電プラズマ焼結工程１４と、経て製造されるものである。尚、図１（ｃ）中、符号１５は放電プラズマＳＰを生成して磁歪成形体１３を焼結させる放電プラズマ焼結装置である。
【００１３】
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は、図１（ｂ）に示すように、少なくとも磁歪結晶材料Ｍ１を含んでいればよく、磁歪結晶材料Ｍ１以外の材料（銅、アルミニウム等）からなる添加材料Ｍ２を添加する態様をも含む。ここでいう「磁歪結晶材料Ｍ１」は結晶性を有する磁歪材料を意味する。
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の製法は、放電プラズマ焼結法を採用するに当たって、粉末状の磁歪結晶材料Ｍ１を所定の形状に成形することが必要であることから、成型工程を経て放電プラズマ焼結工程を実施することを要する。
本例では、成型工程は、加圧成形が代表的であるが、無加圧も含む。また、放電プラズマ焼結法（SPS:Spark Plasma Sintering）の使用条件については焼結対象である磁歪結晶材料Ｍ１及び添加材料Ｍ２を考慮して適宜選定することが必要である。
【００１４】
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、磁歪結晶材料Ｍ１の好ましい例としては、Ｆｅ−Ｇａ又はＦｅ−Ｃｏが挙げられる。本例は、磁歪結晶材料Ｍ１のうち高い磁歪定数を持つものを例示したものである。
また、成形工程１１の好ましい態様としては、磁歪結晶材料Ｍ１以外に添加材料Ｍ２として銅、アルミニウム、ホウ素、炭素のいずれかを添加したもので磁歪成形体１３を成形する態様が挙げられる。本例は、磁性結晶材料Ｍ１以外に磁歪特性が向上する材料（Ｃｕ，Ａｌ，Ｂ，Ｃ）を微量添加する態様である。ここでいう磁歪特性が向上するとは磁歪定数が大きくなることを意味する。
更に、磁歪結晶材料Ｍ１の好ましい例としては、平均粒子径が４０乃至１００ｎｍに粉砕された粉末状である態様が挙げられる。本例では、１００ｎｍ以下であることは焼結密度を高める上で好ましいが、４０ｎｍ未満にするには粉砕コストが高くなる懸念がある。
また、成形工程１１の好ましい態様としては、成形型１２に充填された磁歪結晶材料Ｍ１を２０ないし１００ＭＰａで一方向から加圧する態様が挙げられる。本例では、２０ＭＰａ以上であると、磁歪結晶材料Ｍ１の充填密度（又は焼結密度）を十分に高めることが可能であるが、１００ＭＰａを超えると、磁歪成形体１３の体積が不必要に減少する懸念がある。
【００１５】
また、放電プラズマ焼結工程１４の好ましい態様としては、焼結環境温度が８００℃以上で磁歪結晶材料Ｍ１の熔解温度未満の温度に保持されている態様が挙げられる。本例は、磁歪結晶材料Ｍ１の結晶性を向上させる上で好ましい温度条件を示す。
更に、放電プラズマ焼結工程１４の別の好ましい態様としては、成型工程１１で使用した成形型１２を焼結用型として兼用して実施する態様が挙げられる。本例は、放電プラズマ焼結工程１４において成型工程１１で使用した型を利用する態様である。
更にまた、磁歪焼結体１６の好ましい態様としては、多結晶体である態様が挙げられる。単結晶は製造コストが高価になるが、本例は磁歪焼結体１６を多結晶体とすることで、単結晶よりも製造コストを抑え、単結晶よりは少し低いものの、磁歪結晶材料Ｍ１の配向が結晶性に優れたものとして得られる。
【００１６】
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、粉末状の磁歪結晶材料Ｍ１を予め決められた磁歪部品形状の成形型１２に充填して成形する成型工程１１と、成型工程１１にて成形された磁歪結晶材料Ｍ１を含む磁歪成形体１３を放電プラズマ焼結にて磁歪焼結体１６とする放電プラズマ焼結工程１４と、を経て製造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１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にも権利の効力を及ぼす上で有効である。
【００１７】
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。
【００１８】
＜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。
【００１９】
＜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。
【００２０】
＜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。
【００２１】
−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。
本例の磁歪部品５の材料としては、図２（ｂ）に示すように、磁歪結晶材料Ｍ１と磁歪結晶材料Ｍ１以外の添加材料Ｍ２との混合材料が用いられる。
＜磁歪結晶材料＞
本例においては、磁歪結晶材料Ｍ１としては、高い磁歪定数を持つＦｅ−Ｇａ又はＦｅ−Ｃｏが用いられる。ここで、Ｆｅ−Ｇａより磁歪定数が高い材料にＦｅ−Ｄｙ、Ｆｅ−Ｔｂ、Ｆｅ−Ｄｙ−Ｔｂがある。しかしこれ硬くもろいため、また希土類を多く（４０％レベル）を含むため高価な材料になる。この点、Ｆｅ−Ｇａ、Ｆｅ−ＣｏはＦｅが８０％程度含み加工性がよく安価になる可能性がある。
また、これらの磁歪結晶材料Ｍ１についてはこれを粉末状に粉砕する必要があるが、本例で用いる粉体の粒径は小さいほど焼結密度は上がることとコストとの兼ね合いで、ミクロン粉に粉砕した後にミクロン粉を再度、粉砕してナノ粉にしてバインダレスで焼結することにしたものである。一例としては、Ｆｅ-Ｇａ又はＦｅ−Ｃｏの合金を粉末状に作製するには、２〜３μｍの粉体をボールミルで平均粒子径４０〜１００nmに粉砕した粉体からなる粉末状材料を用いるようにすればよい。
また、合金成分に銅、アルミなどを微量添加すると磁歪特性が向上する。
＜添加材料＞
添加材料Ｍ２としては、磁歪結晶材料Ｍ１による磁歪特性が上がる上で有用な材料が用いられ、磁性結晶材料Ｍ１と同様に粉末状に粉砕されて使用される。
具体的には銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ホウ素（Ｂ）、炭素（Ｃ）等があり、その含有割合は材料によって異なり、例えばＡｌは４〜７ａｔ％（原子パーセント）、Ｂは１．６ａｔ％前後、Ｃは１．４ａｔ％前後である。
【００２２】
＜成型工程＞
本工程は、粉末状の磁歪結晶材料Ｍ１（本例では所定の添加材料Ｍ２を含有）を予め決められた磁歪部品５形状の成形型１２に充填して成形するものである。
本例では、磁歪部品５は支持フレーム２０に搭載可能な板状の形状を有していることから、成形型１２は、図３（ａ）（ｂ）に示すように、複数の磁歪部品５を同時に製造できるように、複数個（本例では２×７個の配列）の短冊状の凹所１２ａを有し、当該凹所１２ａ内に粉末状の磁歪結晶材料Ｍ１を充填するようにすればよい。
そして、この成形型１２は凹所１２ａ内の磁歪結晶材料Ｍ１を覆い型１２ｂで覆い、無加圧若しくは所定の加圧力（２０ＭＰａ〜１００ＭＰａ）で加圧する。ここで、２０ＭＰａ以上であれば、磁歪結晶材料Ｍ１の充填密度を十分に高めることができ、加圧力が大きくなればなる程その充填密度は高くなる点で好ましい。但し、１００ＭＰａを超える加圧力で加圧することは勿論可能であるが、成形後の磁歪成形体の体積が不必要に減少する懸念がある。
ここで、成型型１２の材質はグラファイト、ダイス型、超硬型、セラミックを使ようにすればよく、２０〜１００ＭＰa程度の一方向の加圧力に耐えられる強度を有するものであればよい。
【００２３】
＜放電プラズマ焼結工程＞
放電プラズマ焼結工程は、図３（ｃ）に示す放電プラズマ焼結装置１５を用いて実施される。
本例において、放電プラズマ焼結装置１５は、成形工程で使用した成形型１２をそのまま焼結用型として用い、真空チャンバ１５０内の上下に電極加圧軸１５１，１５２を配置し、この電極加圧軸１５１，１５２にはＤＣパルス焼結電源１５３を接続すると共に、各電極加圧軸１５１，１５２間にはパンチ１５４，１５５を介して成形型（焼結用型を兼用）１２を挟み込み、更に、パンチ１５４，１５５及び成形型１２をダイ１５６で側方から押さえ込むようにしたものである。
尚、ダイ１５６には例えば熱電対からなる温度センサ１５７が設けられ、磁歪結晶材料Ｍ１に対する放電プラズマ焼結温度を検出するようになっており、この温度センサ１５７にて検出された温度情報はコントローラ１５８に入力され、コントローラ１５８は温度センサ１５７からの温度情報に基づいてＤＣパルス焼結電源１５３の出力を制御するようになっている。
【００２４】
放電プラズマ焼結装置１５は放電プラズマ焼結ＳＰＳ（Spark  Plasma  Sintering）を具現化する装置であり、放電プラズマ焼結法ＳＰＳの特徴点として以下のものがある。
・迅速な焼結が可能である（従来のＨＩＰ（Hot Isostatic Pressing）やホットプレス法に比べ焼結時間が１／２０〜１／１００）。
・微細組織構造を制御焼結できる。
・粒成長抑制が容易でナノ粉末をナノ構造で固化できる。
・温度傾斜焼結が可能、固相焼結が可能である。
・焼結助剤なしでＳｉＣ、ＷＣなどの高温セラミックスの高密度焼結が可能、低温焼結が可能である。
・アモルファス材やキューリー点以下での焼結が可能である。
・ガス、電磁場での反応焼結が可能である。
【００２５】
＜放電プラズマ焼結装置による成型工程の実施＞
特に、本例においては、放電プラズマ焼結装置１５は放電プラズマ焼結する前に成形型１２を加圧するステップを踏むことから、前述した成型工程は放電プラズマ焼結装置１５に成形型１２をセットした段階で実施されるようになっている。
尚、放電プラズマ焼結装置１５による成型工程とは別に成型工程を実施するようにしてもよいことは勿論である。
【００２６】
＜放電プラズマ焼結処理手順＞
放電プラズマ焼結装置１５の成形型（焼結用型を兼用）１２をセットして加圧成型した後に、真空チャンバ１５０内の温度を上昇させる。このとき、昇温速度は２０〜２００Ｋ／分が用いられ、５００〜１０００Ｋ/分の急速昇温も可能である。本例では、例えば試料片が小さいφ２０〜３０ｍｍのものでは数分から２０分程度の昇温が適切であるから、これを考慮して、成形型１２にて成形可能な磁歪成形体の大きさに応じて昇温時間を選定するようにすればよい。
また、真空チャンバ１５０内の温度条件として、昇温後に保つ保持温度は８００〜２１００℃である。これも材質で変化し、Ｆｅ合金では保持温度は溶解温度未満、例えば１０００℃が最適である。この温度を保つことでＦｅ合金の結晶性が向上する。
更に、ＳＰＳ処理の焼結温度は内部の温度より１００〜２００Ｋ程度低くなる。この種のＳＰＳ処理は、物質粒子間の表面拡散現象が支配的で反応性休息昇温効果や電界拡散効果が寄与していることによる。また、保持温度は長い方が均一な高密度焼結体が得られる点で有効である。ここで、保持時間は５〜３０分が適切で、Ｆｅ合金では１０分が最適である。
【００２７】
また、ＳＰＳさせるための電圧、電流は焼結性を向上する大きな因子であるが材質により変化する。セラミック粉だと高い電流値になり金属だとそれより低くなる。ＤＣパルス焼結電源１５３は、粉末に４〜２０Ｖ程度の直流電圧、ＯＮ−ＯＦＦのパルス状電流を５００〜４００００Ａ印加し焼結する。流す電流には材料によって変化するが比較的融点が低いＦｅ系は８００から１２００Ａが適切である。
直流電圧はＦｅ系では低い４Ｖが適切である。放電時間は材質によりセラミック系は１〜２時間程度が適切だが、金属では溶解しない５〜２０分が適切である。
このように、ＤＣパルス焼結電源１５３でＯＮ−ＯＦＦを繰り返し、電圧、電流を印加することにより、成形型１２内の磁歪成形体１３（図１参照）で放電点とジュール発熱点（局所的な高温発生場）が移動し、磁歪成形体１３全体に分散されてＯＮの状態での現象と効果が磁歪成形体１３内に均一に繰り返される結果、電力消費量も少なく効率のよい焼結が行われる。
このような処理で、成形型１２によって成形された磁歪成形体１３は、放電プラズマ焼結にて磁歪焼結体１６（図１参照）に焼結される。
【００２８】
−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の磁歪結晶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Ｅとして高いものが得られる。
【００２９】
◎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。
【００３０】
◎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。
【００３１】
◎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。
【実施例】
【００３２】
◎実施例１
磁歪結晶材料としては、高純度化学株式会社製粒子径２〜３μｍの純度３ＮのＦｅとＧａを７５：２５ｗｔ％の比率で混合した。
ここで、理想の組成は８２：１８だがＧａは揮発しやすいため７５：２５にした。
また、１４本の溝（凹所に相当）がある超硬材料できた成形型（短冊状溝  幅４．５、長さ１２．７、深さ０．７ｍｍ）に前記材料を充填し、加圧力３０ＭＰａで加圧した。
放電プラズマ焼結装置として株式会社シンターランド製のＬＡＢＯＸ−６００に、前述した成形型をセットし、ＳＰＳを行った。
ＳＰＳの焼結条件：
・ＳＰＳ昇温速度  ３７３Ｋ／分    １０００℃の温度にして１０分保持
・最大パルス電流  １０００Ａを５分印加
焼結されたＦｅ−Ｇａ磁歪焼結体（磁歪部品）の物性を測定した。
・ビッカス硬度  １５．６ＧＰａ  
・最大室温曲げ強度  ４２０ＭＰａ
また、ＸＲＤ測定を行ったところ、方位指数（１００）と（１１１）が観察された多結晶体であった。
磁歪焼結体のサイズは幅４．１、長さ１２．５、厚さ０．６５ｍｍを得た。
この磁歪焼結体を図２の支持フレームにセットし、コイルとしての銅線を１８００巻き、磁場印加用ネオジム磁石  ２×３×１（単位：ｍｍ）サイズを１個を支持フレームにセットし、図２に示す支持フレームの凹部にＦｅ−Ｇａ磁歪焼結体をはさみ固定した。その上から径０．３３ｍｍのコイルとしての銅線を２０００回転巻いた。
このとき用いた磁歪結晶材料の磁歪定数は９６ｐｐｍであった。先端に磁性粉が含まれた樹脂１ｇを錘とし、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。この振動発電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０．１８Ｖ（図２中の発電出力に相当）を発生した。
【００３３】
◎実施例２
実施例１と同様な成形型、放電プラズマ焼結装置を用い、磁歪成形体、磁歪焼結体を作製した。磁歪結晶材料はＦｅ−Ｃｏ粉末を用いた以外は実施例１と同じである。更に、実施例１と同様に振動発電デバイスを構成して、その特性を測定した。このとき用いた磁歪結晶材料の磁歪定数は８０ｐｐｍであった。また、振動発電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０．１１Ｖ（図２中の発電出力に相当）を発生した。
【００３４】
◎比較例１
Ｆｅ−Ｇａ結晶をＣＺ法で育成した場合、直径１インチ、長さ３センチ育成するのに２日間要した。この結晶価格は高価であり、また傷付き易く、割れやすいので、機械加工が難しく短冊状に加工するのに放電加工で小片化したところ、加工費が￥１５００と高価なものになった。そのため低価格が求められるＩｏＴ（Internet of Things）向け電源としては不適切であることが理解される。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明に係る振動発電デバイスは、生産性を高めた磁歪定数の大き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。
【符号の説明】
【００３６】
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
６    コイル
１１  成型工程
１２  成形型
１３  磁歪成形体
１４  放電プラズマ焼結工程
１５  放電プラズマ焼結装置
１６  磁歪焼結体
Ｍ１  磁歪結晶材料
Ｍ２  添加材料
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
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
１５０  真空チャンバ
１５１  電極加圧軸
１５２  電極加圧軸
１５３  ＤＣパルス焼結電源
１５４  パンチ
１５５  パンチ
１５６  ダイ
１５７  温度センサ
１５８  コントローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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