(57)【要約】【課題】より大きい発電量および発電密度を示す磁歪素子を提供する。【解決手段】下記式（１）    Ｆｅ（１００−α−β）ＧａαＸβ・・・（１）  （式（１）中、αおよびβは、それぞれＧａ含有率（ａｔ％）およびＸ含有率（ａｔ％）であり、Ｘは、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、ＣｕおよびＣからなる群から選択される１以上の元素であり、５≦α≦４０かつ０≦β≦１を満たす）  で表される単結晶合金である磁歪材料からなり、かつ、互いに対向する第１端部および第２端部との間で長手方向に延在する磁歪素子であって、  前記長手方向と平行に、前記単結晶合金の＜１００＞結晶方位を有し、かつ、Ｇａ濃度が前記第２端部から前記第１端部に向かう方向に減少する勾配を有する、  磁歪素子。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記式（１）
Ｆｅ（１００−α−β）ＧａαＸβ・・・（１）
（式（１）中、αおよびβは、それぞれＧａ含有率（ａｔ％）およびＸ含有率（ａｔ％）であり、Ｘは、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、ＣｕおよびＣからなる群から選択される１以上の元素であり、５≦α≦４０かつ０≦β≦１を満たす）
で表される単結晶合金である磁歪材料からなり、かつ、互いに対向する第１端部および第２端部との間で長手方向に延在する磁歪素子であって、
前記長手方向と平行に、前記単結晶合金の＜１００＞結晶方位を有し、かつ、Ｇａ濃度が前記第２端部から前記第１端部に向かう方向に減少する勾配を有する、
磁歪素子。
【請求項２】
前記磁歪素子は、板状の形状を有する、請求項１に記載の磁歪素子。
【請求項３】
Ｇａ濃度が、前記第１端部で１４ａｔ％以上１６ａｔ％以下であり、前記第２端部で１７ａｔ％以上１９ａｔ％以下である、請求項１または２に記載の磁歪素子。
【請求項４】
Ｇａ濃度が、前記第２端部から前記第１端部に向かう方向に、１ｍｍあたり平均０．１５ａｔ％以上０．２ａｔ％以下の割合で減少する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁歪素子。
【請求項５】
Ｘは、Ｓｍ、ＣｕおよびＣからなる群から選択される１以上の元素であり、１４≦α≦１９かつ０．５≦β≦１を満たす、請求項１〜４のいずれか１項に記載の磁歪素子。
【請求項６】
発電部と、該発電部に接続されるフレームと、を備える磁歪式振動発電装置であって、
前記発電部は、第１端部および第２端部を有し、該発電部の該第１端部に配置され、かつ非磁性材料からなる振動板と、該発電部の該第２端部に配置された請求項１〜４のいずれか１項に記載の磁歪素子と、前記磁歪素子に前記長手方向に沿って巻かれるコイルと、を備え、
前記フレームは、第１端部および第２端部を有し、かつ該フレームの該第１端部において前記発電部の前記第２端部に接続されており、該フレームの該第１端部および該第２端部の間に亘って延在し、かつ磁性材料からなるフレームボディと、前記発電部の前記磁歪素子と対向するように該フレームボディに設けられた磁石と、を備え、
前記磁歪素子は、該発電部の該第２端部から該第１端部に向かう方向が該磁歪素子の長手方向に対応するように配置され、かつ、該磁歪素子の前記第１端部において前記振動板と接続されている、
磁歪式振動発電装置。
【請求項７】
前記発電部および前記フレームは、全体としてコ字形状を有する、請求項６に記載の磁歪式振動発電装置。
【請求項８】
前記磁石が、前記磁歪素子と、該磁歪素子の前記第１端部にて対向するように前記フレームボディに設けられている、請求項６または７に記載の磁歪式振動発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁歪材料からなる磁歪素子およびそれを備えた磁歪式振動発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自律的に通信する機能を持ったモノ同士が情報交換を行い自動的に相互に制御を行う世界、すなわち、モノのインターネット（ＩｏＴ：Ｉｎｔｅｒｎｅｔ  ｏｆ  Ｔｈｉｎｇｓ）の世界が到来することが期待される。ＩｏＴが社会に浸透すると、通信機能を持ったＩｏＴデバイスが大量に出回ることになる。センサーのようなＩｏＴデバイスを動作させるためには電源が必要である。しかし、デバイスの数が膨大になると、配線やメンテナンスの時間およびコストの面で電源確保が困難となる。そのため、ＩｏＴの実現にはＩｏＴデバイスに適した電力供給技術が求められる。こうした背景に基づくと、我々の身の回りのどこにでもある微小エネルギーを電力に変換して活用する技術である「エネルギーハーベスティング」が重要と考えられる。エネルギー源の１つである振動は、自動車、鉄道、機械、または人等が動く度に必ず発生するため、発生箇所が多くあり、気象、天候に左右されないエネルギー源である。そのため、これら移動体の動きと連動したアプリケーションの電源供給を振動発電でまかなうシステムの構築が、ＩｏＴの実現の糸口になり得ると考えられる。
【０００３】
振動発電の発電方式は、磁歪式、圧電式、静電誘導式、および電磁誘導式の４種に分類される。磁歪式は、応力を加えることで磁歪材料内部の磁場の変化に伴って外部へ漏れた磁束を、巻き付けたコイルを通じて電気に変換する方式である。他の方式よりも内部抵抗が小さいため、発電量が大きい。また、磁歪材料として金属合金を使用するため耐久性に優れているという特徴を有する。そのため、磁歪式は、磁歪式振動発電装置または素子の課題の１つである耐久性の向上が可能な方式として期待され得る。
【０００４】
磁歪式振動発電装置として、例えば、片持ち梁構造のものを挙げることができる。従来の片持ち梁構造の磁歪式振動発電装置は、磁歪材料からなる磁歪棒（または磁歪素子）と、磁歪棒に巻かれるコイルと、磁歪棒に対して平行に配置される磁性棒と、コ字状に屈曲したフレームと、フレームの内側に取り付けられた磁石とを備えている（特許文献１参照）。フレームは、磁性材料からなり、コ字状の屈曲箇所を挟んで一方の端部が固定支持されている固定端、他方の端部が自由端となっている。フレームの一部をバックヨークとして機能させると共に、当該磁石を取り付けていないフレームの内側面と当該磁石との間に空隙を形成している。
【０００５】
かかる一方の端部を固定端とする片持ち梁構造において、水平面内で外力（振動）を与えると、磁歪棒に引張および圧縮応力が加わり、磁力線は交番磁界に変化する。そのため、磁束密度の時間変化に比例して電圧が発生するという電磁誘導の法則に基づいてコイルに電圧を発生させ、これを電気エネルギーとして取り出す仕組みになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２０１５／１４１４１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
磁歪式振動発電装置において、発電量Ｐは、Ｐ＝ＮＩ・ｄ／ｄｔ（∫ＢｄＡ）で表され、発電密度Ｅは、Ｅ＝Ｐ／ｖで表される。ここで、Ｎはコイルの巻き数、Ｉはコイルに流れる電流値、Ｂは磁歪素子の磁束密度、Ａは磁歪素子の断面積、ｖは磁歪式振動発電装置の体積を表す。しかしながら、上述したような磁歪式振動発電装置では、片持ち梁構造において、水平面内で外力（振動）を与えると、固定端が磁歪素子に加える応力が、自由端が磁歪素子に加える応力よりも大きくなり、磁歪素子内に一様に応力が加わらず、応力分布が生じる。応力分布が生じることで、磁歪素子内を通る磁力線にも分布が生じてしまうため、磁歪素子全体の磁束密度Ｂの変化が小さくなり、発電量Ｐが小さくなる。そのため、発電密度Ｅ（体積当たりの発電量Ｐ）も小さくなり、ＩｏＴの実現となり得る高出力化（高発電量化）を実現できない。実用化には、磁歪式振動発電装置の発電密度Ｅを向上させることが必要である。例えば、タイヤ空気圧監視システムや工場内センサーネットワークに磁歪式振動発電装置を適用する場合、消費電力密度は約１．０ｍＷ／ｃｍ３が求められる。
【０００８】
本発明では、より大きい発電量および発電密度を示す磁歪素子および磁歪式振動発電装置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】
【０００９】
本発明の第１の要旨によれば、下記式（１）
Ｆｅ（１００−α−β）ＧａαＸβ・・・（１）
（式（１）中、αおよびβは、それぞれＧａ含有率（ａｔ％）およびＸ含有率（ａｔ％）であり、Ｘは、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、ＣｕおよびＣからなる群から選択される１以上の元素であり、５≦α≦４０かつ０≦β≦１を満たす）
で表される単結晶合金である磁歪材料からなり、かつ、互いに対向する第１端部および第２端部との間で長手方向に延在する磁歪素子であって、
前記長手方向と平行に、前記単結晶合金の＜１００＞結晶方位を有し、かつ、Ｇａ濃度が前記第２端部から前記第１端部に向かう方向に減少する勾配を有する、
磁歪素子が提供される。
【００１０】
本発明の第１の要旨の１つの態様において、前記磁歪素子は、板状の形状を有し得る。
【００１１】
本発明の第１の要旨の１つの態様において、Ｇａ濃度が、前記第１端部で１４ａｔ％以上１６ａｔ％以下であり、前記第２端部で１７ａｔ％以上１９ａｔ％以下であり得る。
【００１２】
本発明の第１の要旨の１つの態様において、Ｇａ濃度が、前記第２端部から前記第１端部に向かう方向に、１ｍｍあたり平均０．１５ａｔ％以上０．２ａｔ％以下の割合で減少し得る。
【００１３】
本発明の第１の要旨の１つの態様において、Ｘは、Ｓｍ、ＣｕおよびＣからなる群から選択される１以上の元素であり、１４≦α≦１９かつ０．５≦β≦１を満たし得る。
【００１４】
本発明の第２の要旨によれば、発電部と、該発電部に接続されるフレームと、を備える磁歪式振動発電装置であって、
前記発電部は、第１端部および第２端部を有し、該発電部の該第１端部に配置され、かつ非磁性材料からなる振動板と、該発電部の該第２端部に配置された第１の要旨の磁歪素子と、前記磁歪素子に前記長手方向に沿って巻かれるコイルと、を備え、
前記フレームは、第１端部および第２端部を有し、かつ該フレームの該第１端部において前記発電部の前記第２端部に接続されており、該フレームの該第１端部および該第２端部の間に亘って延在し、かつ磁性材料からなるフレームボディと、前記発電部の前記磁歪素子と対向するように該フレームボディに設けられた磁石と、を備え、
前記磁歪素子は、該発電部の該第２端部から該第１端部に向かう方向が該磁歪素子の長手方向に対応するように配置され、かつ、該磁歪素子の前記第１端部において前記振動板と接続されている、
磁歪式振動発電装置が提供される。
【００１５】
本発明の第２の要旨の１つの態様において、前記発電部および前記フレームは、全体としてコ字形状を有し得る。
【００１６】
本発明の第２の要旨の１つの態様において、前記磁石が、前記磁歪素子と、該磁歪素子の前記第１端部にて対向するように前記フレームボディに設けられ得る。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、より大きい発電量および発電密度を示す磁歪素子および磁歪式振動発電装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態における磁歪素子の概略図である。
【図２】本発明の実施形態における磁歪素子のＧａ濃度の模式分布を示すグラフである。
【図３】本発明の実施形態における磁歪素子を備えた磁歪式振動発電装置を示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態における磁歪素子を備えた磁歪式振動発電装置を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態における磁歪素子およびその製造方法、ならびに該磁歪素子を備える磁歪式振動発電装置について説明する。しかし、本発明はかかる実施形態に限定されるものではない。
【００２０】
＜磁歪素子＞
本実施形態における磁歪素子は、下記式（１）
Ｆｅ（１００−α−β）ＧａαＸβ・・・（１）
（式（１）中、αおよびβは、それぞれＧａ含有率（ａｔ％）およびＸ含有率（ａｔ％）であり、Ｘは、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、ＣｕおよびＣからなる群から選択される１以上の元素であり、５≦α≦４０かつ０≦β≦１を満たす）
で表される単結晶合金である磁歪材料からなり、かつ、互いに対向する第１端部および第２端部との間で長手方向に延在する磁歪素子であって、
長手方向と平行に、単結晶合金の＜１００＞結晶方位を有し、かつ、Ｇａ濃度が第２端部から第１端部に向かう方向に減少する勾配を有する。
【００２１】
なお、上記式（１）のＦｅＧａＸ単結晶合金では、β＝０の場合も含むため、ＦｅＧａの２元系合金も含まれるものとする。
【００２２】
好ましくは、上記式（１）において、Ｘは、Ｓｍ、ＣｕおよびＣからなる群から選択される１以上の元素であり、１４≦α≦１９かつ０．５≦β≦１を満たす。他の実施形態では、上記式（１）において、１４≦α≦１９かつβ＝０、好ましくは１７≦α≦１８．４かつβ＝０を満たし得る。
【００２３】
本実施形態の磁歪素子は、任意の適切な形状を有し得る。例えば、直方体形状（板状の形状ともいう）、立方体形状、円柱形状、多角柱形状またはその他の立体形状を有し得る。これらのうち、好ましくは、板状の形状である。板状の形状の場合、大きさは、例えば、断面寸法において幅５ｍｍ〜２０ｍｍおよび高さ１ｍｍ〜３ｍｍ、好ましくは幅１０ｍｍおよび高さ１ｍｍ程度であり、長手方向の長さ（互いに対向する一方の端部と他方の端部との間の距離）が１０ｍｍ〜３０ｍｍ、好ましくは３０ｍｍ程度、より好ましくは２０ｍｍ程度の形状とすることができる。
【００２４】
本開示において、「Ｇａ濃度」とは、合金全体の原子数に対するＧａ元素の原子数の割合であり、ａｔ％（原子パーセント）の単位を用いて表される値をいう。より詳細には、合金を電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）で分析することにより、Ｇａ元素の含有率を測定した値をいう。合金に含まれる他の元素（例えば、Ｆｅ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、ＣｕまたはＣ）の濃度または含有率についても、同様の方法で測定したａｔ％（原子パーセント）の値をいう。なお、本実施形態における磁歪素子を構成する磁歪材料の単結晶合金（ＦｅＧａ合金またはＦｅＧａＸ合金）は、列挙した元素で実質的に構成されている限り、不可避的に混入する微量元素（例えば、酸素０．００５ａｔ％未満）を含み得る。
【００２５】
本開示において、「勾配」とは、特定の箇所から他の特定の箇所へ向かう方向に沿って、例えば濃度等の所定の値が、減少または増加して変化していることを意味する。本開示において、勾配は、特に、単調減少または単調増加して変化していることを意味する。詳細には、本開示において、Ｇａ濃度の勾配は、ＥＰＭＡにより、磁歪素子の中心を一方の端部側から他方の端部側まで複数の位置でのスポット分析または線分析等を実施することにより測定されるものとする。
【００２６】
本開示において、単結晶合金の＜１００＞結晶方位は、公知の方法によって決定され得るが、特にＥＢＳＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ＢａｃｋＳｃａｔｔｅｒ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）法により決定されるものをいう。ＦｅＧａ合金またはＦｅＧａＸ合金では＜１００＞方位が磁化させ易い方位であるため、本実施形態の磁歪素子が、その長手方向と平行に単結晶合金の＜１００＞結晶方位を有することで、より大きい磁歪量を得ることができる。あるいは、磁歪素子の長手方向と平行な方向が、ＦｅＧａ合金またはＦｅＧａＸ合金の＜１００＞結晶方位から１０°以下、好ましくは６°以下、より好ましくは４°以下のできるだけ小さい角度で差を有する場合でも、大きい磁歪量を得ることができるため、本実施形態の磁歪素子として使用してもよい。
【００２７】
さらに、具体的な本実施形態における磁歪素子について、図面を参照しながら説明する。
【００２８】
図１は、本発明の実施形態における磁歪素子の概略図である。磁歪素子１は、前述した式（１）で表される単結晶合金である磁歪材料からなる。図１に示すように、磁歪素子１は、互いに対向する一方の端部である磁歪素子の第１端部１ａおよび他方の端部である磁歪素子の第２端部１ｂとの間で長手方向に延在しており、板状の形状となっている。さらに、磁歪素子の第１端部１ａおよび磁歪素子の第２端部１ｂとの間の長手方向において、図１に示すように、磁歪素子の第２端部１ｂ側を地点Ａ、中間部を地点Ｂ、磁歪素子の第１端部１ａ側を地点Ｃとする。磁歪素子１は、該長手方向と平行に式（１）の単結晶合金の＜１００＞結晶方位を有しており、かつ、磁歪素子１のＧａ濃度は地点Ａ、地点Ｂおよび地点Ｃで比較すると、地点Ａ、地点Ｂおよび地点Ｃの順で高い値となっている。
【００２９】
好ましくは、Ｇａ濃度が、磁歪素子の第１端部１ａで１４ａｔ％以上１６ａｔ％以下であり、磁歪素子の第２端部１ｂで１７ａｔ％以上１９ａｔ％以下となっている。また、好ましくは、Ｇａ濃度が、磁歪素子の第２端部１ｂから磁歪素子の第１端部１ａに向かう方向に、１ｍｍあたり平均０．１５ａｔ％以上０．２ａｔ％以下の割合で減少する。なお、磁歪素子の第１端部１ａおよび磁歪素子の第２端部１ｂにおけるＧａ濃度とは、磁歪素子１の端縁（または辺）に近い位置における濃度であってよく、例えば、磁歪素子１の端縁から０〜３ｍｍの範囲以内の領域、代表的には約０．５〜２．５ｍｍの領域におけるＧａ濃度をいう。
【００３０】
図２は、本発明の実施形態における磁歪素子のＧａ濃度の模式分布を示すグラフである。図２のｘ軸は、磁歪素子１の地点Ａ、地点Ｂおよび地点Ｃを示す。ｙ軸は、磁歪素子１のＧａ濃度（ａｔ％）を示す。例えば、本実施形態における磁歪素子１のＧａ濃度は、この模式分布のグラフが示すように、地点Ａから地点Ｃに向けて（長手方向かつ磁歪素子の第２端部１ｂから磁歪素子の第１端部１ａに向かう方向にて）濃度の勾配を有し、単調減少している。
【００３１】
本発明の実施形態における磁歪素子１は、Ｇａ濃度の勾配を有していることから、その勾配内で異なった磁気特性（または磁気異方性）を示す。より詳細には、磁歪素子１は、Ｇａ濃度の勾配内における異なる位置において、磁束密度の変化の割合が異なる。本開示において、応力印加時の磁束密度の変化は、引張圧縮試験機にＢ−Ｈ曲線測定装置を設置することで測定することができる。
【００３２】
本実施形態にかかる磁歪素子１を製造する方法は、任意の適切な合金製造方法を用いることができ、特に限定されない。例えば、チョクラルスキー法（ＣＺ法）、ブリッジマン法、または急冷凝固法等が挙げられる。ＣＺ法により製造すると、大型の結晶において、化学組成および結晶方位を精度良く製造することができる。Ｇａ濃度の勾配は、例えばＣＺ法において、ルツボを種結晶回転方向と逆回転に回転させ、および各工程における条件（例えば種結晶およびルツボの回転数、圧力等の条件）を適宜調整し、ＥＰＭＡ分析により測定および確認することによって、当業者であれば磁歪素子１に形成することが可能である。所望の形状の磁歪素子１を得るには、任意の公知の手法を用いることができる。例えば、ワイヤー放電加工等によって切り出すことができる。
【００３３】
＜磁歪式振動発電装置＞
図３は、本発明の実施形態における磁歪素子を備えた磁歪式振動発電装置を示す断面図である。図４は、本発明の実施形態における磁歪素子を備えた磁歪式振動発電装置を示す斜視図である。図３および図４に示すように、磁歪式振動発電装置１０は、発電部２と、該発電部２に接続されるフレーム３とを備える。
【００３４】
発電部２およびフレーム３は、各々、一方および他方の端部である、発電部の第１端部２ａおよび発電部の第２端部２ｂ、ならびにフレームの第１端部３ａおよびフレームの第２端部３ｂを有しており、発電部の第２端部２ｂとフレームの第１端部３ａとが接続されている。
【００３５】
発電部の第２端部２ｂとフレームの第１端部３ａとの接続方法は、全体として本実施形態における磁歪式振動発電装置１０が、その機能、すなわち適切な磁気回路を形成する機能、を大きく阻害されない限り、特に限定されない。例えば、ねじ、ボルト、ナット、はんだ、接着剤、蝋材等、これらの中でも特に、ねじ、ボルト、ナットで固定する方法が挙げられる。
【００３６】
フレーム３は、フレームボディ３Ａと、磁石４とを備える。フレームボディ３Ａは、フレームの第１端部３ａおよびフレームの第２端部３ｂの間に亘って延在しており、磁性材料、特に強磁性材料からなる。例えば、強磁性金属材料として、冷間圧延鋼板および鋼帯（ＳＰＣＣ、ＳＰＣＤ、ＳＰＣＥ、ＳＰＣＦ、ＳＰＣＧ）等を挙げることができる。図３および図４に示すフレームボディ３Ａの形状は、コ字形状であるが、最終的に各々の構成要素が接続されて磁歪式振動発電装置１０として機能する形状であれば、特に限定されない。例えば、接続された発電部２およびフレーム３が、全体としてコ字形状、Ｕ字形状等でも構わない。より詳細には、該発電部の第２端部２ｂから発電部の第１端部２ａに亘って延在している発電部２が、フレームの第２端部３ｂに向かう方向に延在しているフレームボディ３Ａと対向しており、発電部の第１端部２ａ（振動板５側の端部、すなわち自由端側の端部）とフレームの第２端部３ｂ（すなわち固定端側の端部）とが向き合う形状となっていればよい。
【００３７】
磁石４は、発電部２の磁歪素子１と対向するようにフレームボディ３Ａに設けられている。好ましくは、磁歪素子１と、磁歪素子の第１端部１ａにて対向するようにフレームボディ３Ａに設けられている。具体的には、磁石４と磁歪素子１との間に空隙が形成されるよう設けられ得る。このように空隙を形成すると、空隙を介して磁石４と磁歪素子１とフレームボディ３Ａの一部分とを通る磁気閉回路が好適に形成される。磁石４は、磁性材料を引き寄せる性質を有し、双極性の磁場を発生させる物質であれば、特に限定されない。例えば、ネオジム磁石、サマリウムコバルト磁石、アルニコ磁石等が挙げられる。好ましくは、磁石は、ネオジム磁石である。
【００３８】
フレームボディ３Ａと磁石４との設置方法は、例えば磁性材料であるフレームボディ３Ａの上に磁石４を載置するだけでよい。磁石４を載置すると、その磁気力によって、フレームボディ３Ａと磁力線が通う状態において接着され得る。あるいは、他の磁力を通す方法にて設置または接続しても構わない。フレームボディ３Ａと磁石４とを磁力線が通い難い接着剤等で接着すると、磁気抵抗となり、形成される磁気回路の大きさが小さくなる。
【００３９】
図３および図４に示すように、発電部２は、振動板５と、前述した実施形態における磁歪素子１と、コイル６とを備えている。
【００４０】
振動板５は、発電部の第１端部２ａに配置されている。振動板５は、非磁性材料からなれば、特に材料は限定されない。例えば非磁性金属（例えばアルミニウム、チタン、銅、真鍮）、樹脂（例えばアクリル樹脂）等の材料で構成されている。振動板５の寸法（長さおよび厚さ）を変化させること、または振動板５に錘を付けること等によって、振動板５のバネ特性を変化させて共振周波数を調節することができる。
【００４１】
磁歪素子１は、発電部の第２端部２ｂに配置される。磁歪素子１は、前述した実施形態における磁歪素子１であるが、発電部の第２端部２ｂから発電部の第１端部２ａに向かう方向が、磁歪素子１の長手方向に対応するように配置され、かつ、磁歪素子の第１端部１ａにおいて、すなわちＧａ濃度がより低い端部側（地点Ｃ近傍）において、振動板５と接続されている。
【００４２】
磁歪素子１において、地点ＡはＧａ濃度がより高いため、加わる応力が大きい場合、無負荷時と応力印加時との磁束密度差が大きい。一方、地点ＣはＧａ濃度がより低いため、加わる応力が小さい場合、無負荷時と応力印加時との磁束密度差が大きくなる。従って、磁歪素子１について、地点Ａに近い磁歪素子の第２端部１ｂをフレーム側（固定端側）に、地点Ｃに近い磁歪素子の第１端部１ａを振動板５側（自由端側）に備えさせることによって、ＦｅＧａ合金またはＦｅＧｘ合金からなる磁歪素子１全体の磁束密度の変化を効果的に大きくすることができる。これは、磁歪式振動発電装置１０の構成として、固定端が磁歪素子１に加える応力は自由端が磁歪素子１に加える応力よりも大きいとの前提があるためである。その結果、磁歪式振動発電装置１０の発電密度をより大きくすることができる。本開示において、無負荷時と応力印加時との磁束密度差とは、無負荷時にＢ−Ｈ曲線測定装置を用いて測定された磁束密度と、Ｂ−Ｈ曲線測定装置を引張圧縮試験機設置して、引張または圧縮の応力を印加し測定された磁束密度の差をいう。
【００４３】
振動板５と磁歪素子１の取り付け方法（または接続方法）は、特に限定されない。例えば、ねじ、ボルト、ナット、はんだ、接着剤、蝋材、両面テープ等を用いて固定する方法が挙げられる。好ましくは、ねじ、ボルト、ナット等で固定されている。
【００４４】
コイル６は、磁歪素子１に、磁歪素子１が延在している長手方向、すなわち発電部の第２端部２ｂから発電部の第１端部２ａに向かう方向に沿って巻かれている。コイル６は、電磁誘導の法則により磁歪素子１内を通る磁力線の時間変化に比例して、電圧を発生させる。コイル６の材質は、特に限定されない。例えば、銅線等を用いることができる。発生電圧はＶ＝Ｎ・ｄΦ／ｄｔで求めることができる。ここで、Ｎはコイル６の巻き数、Φは磁束である。したがって、時間当たりの磁束の変化量を増やすか、またはコイル６の巻数を増やすことにより、発生電圧を大きくすることができる。時間当たりの磁束の変化量は、発電素子の共振周波数等のその機械的特性により決定される。したがって、発電素子の発電電圧を大きくするためには、コイル６の巻数を増やすことがより容易な方法である。
【実施例】
【００４５】
以下、本発明を実施例および比較例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００４６】
（実施例１）
実施例１では、長手方向に沿ってＧａ濃度を変化させたＦｅＧａ合金の板状の形状の磁歪素子を作製して、応力無負荷時および圧縮応力印加時の磁束密度の測定を行い、その変化について確認した。
【００４７】
＜磁歪素子の作製＞
ＦｅＧａ合金の実施例１−１における磁歪素子を作製するため、まず、Ｆｅ（純度９９．９９９％）およびＧａ（純度９９．９９９％）を、電子天秤を用いてそれぞれ秤量した。合金試料における各元素の含有率は、ＥＰＭＡ分析により測定および調整した。
【００４８】
試料は、高周波誘導加熱型ＣＺ炉を用いて育成した。内径φ５０ｍｍのグラファイトルツボの内側に、外径φ４５ｍｍの緻密質アルミナ製ルツボを配置し、秤量した各々の合金試料についてのＦｅおよびＧａの原料４００ｇを投入した。原料を投入したルツボを育成炉に投入し、炉内を真空にした後、アルゴンガスを導入した。その後、炉内が大気圧となった時点で、装置の加熱を開始し、融液となるまで、１２時間かけて加熱した。＜１００＞方位に切り出したＦｅＧａ単結晶を種結晶として用い、種結晶を融液の近くまで降下させた。種結晶を５ｐｐｍで回転させながら徐々に降下させて、種結晶の先端を融液に接触させた。試料にＧａ濃度の勾配を形成するために、ルツボを種結晶とは逆の向きに１０ｒｐｍで回転させ、温度を徐々に降下させながら、その後、引き上げ速度１．０ｍｍ／ｈｒの速度で種結晶を上昇させて結晶成長を行った。その結果、直径１０ｍｍ、直胴部の長さ８０ｍｍのＧａ濃度の勾配を有した単結晶合金が得られた。ワイヤー放電加工によって、得られた単結晶合金を、測定用磁歪素子板状の形状に切り出した。該板状の形状は、断面寸法において幅１０ｍｍおよび高さ１ｍｍであり、長さ（第１端部および第２端部との間の長手方向の長さ）が２０ｍｍとなるように切り出した。この際、長手方向がＦｅＧａ合金の＜１００＞方位に対して平行となるように切り出した。このようにして、図１に示すような形状の、長手方向に沿ってＧａ濃度を変化させた実施例１−１のＦｅＧａ合金の磁歪素子を得た。
【００４９】
一方、比較例１−１のＦｅＧａ合金の磁歪素子を作製するために、まず、均一組成で単結晶育成が可能なブリッジマン法を用いて、ＦｅＧａ単結晶合金を得た。実施例１−１と同様に、ワイヤー放電加工によって、得られた単結晶合金を、断面が１０ｍｍ×１ｍｍであり、長さ（第１端部から第２端部の長手方向の長さ）が２０ｍｍの板状の形状に切り出した。この際、実施例１−１と同様に、長手方向がＦｅＧａ合金の＜１００＞方位に対して平行となるように切り出した。
【００５０】
＜各磁歪素子におけるＧａ濃度の測定＞
実施例１−１および比較例１−１の磁歪素子におけるＧａ濃度は、ＥＰＭＡ分析により、測定した。詳細には、図１に示す地点Ａ、地点Ｂおよび地点Ｃにて、ＦｅＧａ単結晶合金でのＧａ濃度を測定した。
【００５１】
＜各磁歪素子の応力無負荷時および圧縮応力印加時における磁束密度の測定＞
実施例１−１および比較例１−１の磁歪素子において、応力無負荷時および応力印加時（５ＭＰａ圧縮時および１５ＭＰａ圧縮時）の８ｋＡ／ｍにおける磁束密度を測定した。具体的には、図１に示す地点Ａ、地点Ｂおよび地点Ｃの３カ所近傍の長さ２ｍｍ程度の磁束密度を測定できるように、Ｂ−Ｈ測定器の検出コイルの長さを短くして、測定を実施した。
【００５２】
以下の表１に、実施例１−１および比較例１−１の各ＦｅＧａ合金の磁歪素子の地点Ａ、地点Ｂおよび地点ＣにおけるＧａ濃度（ａｔ％）（残部はＦｅ濃度（ａｔ％））、ならびに応力無負荷時および圧縮応力印加時における磁束密度（Ｔ）の測定結果を示す。
【表１】
2020035887.tif 000003
【００５３】
表１に示すように、実施例１−１では、Ｇａ濃度が、地点Ａと比べて地点Ｂは１．５ａｔ％減少しており、地点Ｃは３ａｔ％減少していた。すなわち、磁歪素子の長さが２０ｍｍであるため、実施例１−１の磁歪素子は、０．１５ａｔ％／ｍｍにてＧａ濃度が単調減少している組成傾斜を有している。一方、比較例１−１では、地点Ａ、地点Ｂおよび地点ＣのいずれにおいてもＧａ濃度が１８．４ａｔ％であり、均一な組成となっていた。
【００５４】
実施例１−１の応力無負荷時の各地点における磁束密度は、地点Ａにおいて１．６Ｔ、地点Ｂにおいて１．２Ｔ、地点Ｃにおいて０．８Ｔとなっており、単調減少していた。これは実施例１−１のＦｅＧａ合金の磁歪素子のＧａ濃度が地点Ａから地点Ｃへと減少していることに起因するものと考えられ、すなわちＧａ濃度と磁束密度とが関係性をもっていることが考察される。圧縮応力印加時も同様の関係性があると考察される。５ＭＰａの圧縮応力を印加した際、磁束密度は、地点Ａにおいて１．５Ｔ、地点Ｂにおいて１．０Ｔ、地点Ｃにおいて０．５Ｔとなっており、減少していた。１５ＭＰａの圧縮応力を印加した際も、磁束密度は、地点Ａにおいて０．８Ｔ、地点Ｂにおいて０．７Ｔ、地点Ｃにおいて０．６Ｔとなっており、減少していた。これらの結果からも、Ｇａ濃度と磁束密度とが関係性をもっていることが考察される。
【００５５】
比較例１−１では、Ｇａ濃度が、地点Ａ、地点Ｂおよび地点Ｃにおいて、１８．４ａｔ％となっており、均一であった。この場合、応力無負荷時および圧縮応力印加時（５ＭＰａ圧縮時および１５ＭＰａ圧縮時）のいずれにおいても、各々、１．６Ｔ、１．５Ｔおよび０．６Ｔとなり、地点によらず同様の値となった。この結果からも、Ｇａ濃度と磁束密度とが関係性をもっていることが言える。
【００５６】
上記の実施例１−１および比較例１−１の結果より、ＦｅＧａ合金の磁歪材料からなる磁歪素子は、Ｇａ濃度と磁束密度とが関係性を有しており、該磁歪素子がＧａ濃度の組成傾斜を有することで、応力無負荷時および圧縮応力印加時の両方において、磁束密度も同様に傾斜することが確認できた。さらに、実施例１−１および比較例１−１のいずれにおいても、応力無負荷時よりも圧縮応力印加時に、磁束密度が小さくなっていた。これは、圧縮応力を磁歪材料からなる磁歪素子に印加することで、磁歪素子内部の磁壁が移動しにくくなることが要因と考えられる。
【００５７】
（実施例２）
実施例２では、実施例１−１のＦｅＧａ合金の磁歪素子において、Ｇａ濃度を様々な数値に変化させた磁歪素子を作製して、応力無負荷時および圧縮応力印加時の磁束密度の測定を行い、その変化について確認した。さらに、作製した各磁歪素子の発電密度を評価するために、図３および図４に示す構成の磁歪式振動発電装置に各磁歪素子を備えさせ、発電密度を測定した。
【００５８】
測定用の磁歪素子の形状は、実施例１−１と同様に板状の形状とした。ＥＰＭＡ分析により測定される地点Ａ、地点Ｂおよび地点ＣのＧａ濃度が、後の表２に示す値となるものを準備した（残部はＦｅ濃度（ａｔ％））。実施例２−１〜実施例２−４としては、地点Ａ、地点Ｂおよび地点ＣのＧａ濃度を様々な数値に変化させた磁歪素子を準備した。比較例２−１および比較例２−３としては、Ｇａ濃度が変化しない磁歪素子を準備した。比較例２−２としては、実施例２−１と同様にＧａ濃度を変化させた磁歪素子を準備した。各磁歪素子の作製方法および切り出し方法（ワイヤー放電加工）は、前述した実施例１−１と同様である。各磁歪素子の応力無負荷時および圧縮応力印加時における磁束密度の測定方法も、前述した実施例１−１と同様である。
【００５９】
＜各磁歪素子を備えた磁歪式振動発電装置での発電密度の評価＞
図３および図４に示す構成の磁歪式振動発電装置に、作製した各磁歪素子を設置した。この際に、実施例２−１〜実施例２−４ならびに比較例２−１および比較例２−３は、振動板側（自由端側）に磁歪素子の地点Ｃが近くになるように、かつフレーム側（固定端側）に磁歪素子の地点Ａが近くなるように設置した。比較例２−２は、その逆向きになるように設置した。磁歪素子を備えた磁歪式振動発電装置を加振器に設置して、発電密度を測定した。具体的には、加振器により加速度が２Ｇとなるように振動を加えた。その際の発生電圧をオシロスコープによって検出して、共振周波数時の発電量を算出し、磁歪式振動発電装置のサイズで除算することにより、発電密度を算出した。
【００６０】
前述したように、タイヤ空気圧監視システムや工場内センサーネットワーク等に磁歪式振動発電装置を適用する場合、少なくとも約１．０ｍＷ／ｃｍ３以上の消費電力密度が必要とされる。そのため、算出される発電密度が、１．０ｍＷ／ｃｍ３以上を○とし、１．０ｍＷ／ｃｍ３未満を×として判定した。
【００６１】
以下の表２に、実施例２−１〜実施例２−４および比較例２−１〜比較例２−３の各ＦｅＧａ合金の磁歪素子の地点Ａ、地点Ｂおよび地点ＣにおけるＧａ濃度、応力無負荷時および圧縮応力印加時における磁束密度、応力無負荷時と圧縮応力印加時との磁束密度差、磁歪式振動発電装置における磁歪素子の設置方向、ならびに発電密度の測定結果、および判定結果を示す。
【表２】
2020035887.tif 000004
【００６２】
表２に示すように、実施例２−１〜実施例２−４の発電密度は、１．０ｍＷ／ｃｍ３以上となり、その判定は全て○であった。
【００６３】
実施例２−１では、Ｇａ濃度が、地点Ａにおいて１９ａｔ％、地点Ｂにおいて１７．５ａｔ％、地点Ｃにおいて１６ａｔ％となっており、単調減少していた。応力無負荷時の磁束密度も、地点Ａにおいて１．６５Ｔ、地点Ｂにおいて１．２Ｔ、地点Ｃにおいて０．７５Ｔとなっており、減少していた。圧縮応力印加時（５ＭＰａ）の磁束密度も、地点Ａにおいて１．６Ｔ、地点Ｂにおいて１．１Ｔ、地点Ｃにおいて０．４Ｔとなっており、減少していた。圧縮応力印加時（１５ＭＰａ）の磁束密度も、地点Ａにおいて０．８５Ｔ、地点Ｂにおいて０．７５Ｔ、地点Ｃにおいて０．６Ｔとなっており、減少していた。この結果から、実施例１−１の結果と同様に、Ｇａ濃度と磁束密度とが関係性をもっていることがわかる。また、実施例２−１の応力無負荷時と圧縮応力印加時との磁束密度差に着目すると、応力無負荷時と５ＭＰａの圧縮応力印加時の磁束密度差において、最も差が大きいのは、０．３５Ｔである地点Ｃとなっており、応力無負荷時と１５ＭＰａの圧縮応力印加時の磁束密度差において、最も差が大きいのは、０．８Ｔである地点Ａとなっていた。
【００６４】
さらに、実施例２−１では、磁歪式振動発電装置における磁歪素子について、応力無負荷時と１５ＭＰａの圧縮応力印加時（すなわち加わる応力が大きい時）との磁束密度差が大きいＧａ濃度が高い地点Ａをフレーム側（固定端側）に、応力無負荷時と５ＭＰａの圧縮応力印加時（すなわち加わる応力が小さい時）との磁束密度差が大きいＧａ濃度が低い地点Ｃを振動板側（自由端側）に設置した。そのため、ＦｅＧａ合金の磁歪素子全体の磁束密度の変化を大きくすることができ、発電密度が１．０ｍＷ／ｃｍ３以上となったと考えられる。
【００６５】
実施例２−２〜実施例２−４においても、同様の傾向が見られた。実施例２−２では、応力無負荷時と５ＭＰａの圧縮応力印加時の磁束密度差において、最も差が大きいのは、０．４Ｔである地点Ｃとなっており、応力無負荷時と１５ＭＰａの圧縮応力印加時の磁束密度差において、最も差が大きいのは、０．８Ｔである地点Ａとなっていた。実施例２−３では、応力無負荷時と５ＭＰａの圧縮応力印加時の磁束密度差において、最も差が大きいのは、０．３Ｔである地点Ｃとなっており、応力無負荷時と１５ＭＰａの圧縮応力印加時の磁束密度差において、最も差が大きいのは、０．７５Ｔである地点Ａとなっていた。実施例２−４では、応力無負荷時と５ＭＰａの圧縮応力印加時の磁束密度差において、最も差が大きいのは、０．３Ｔである地点Ｃとなっており、応力無負荷時と１５ＭＰａの圧縮応力印加時の磁束密度差において、最も差が大きいのは、０．５５Ｔである地点Ａとなっていた。さらに、実施例２−１と同様に、磁歪式振動発電装置における磁歪素子について、応力無負荷時と１５ＭＰａの圧縮応力印加時（すなわち加わる応力が大きい時）との磁束密度差が大きいＧａ濃度が高い地点Ａをフレーム側（固定端側）に、応力無負荷時と５ＭＰａの圧縮応力印加時（すなわち加わる応力が小さい時）との磁束密度差が大きいＧａ濃度が低い地点Ｃを振動板側（自由端側）に備えているため、ＦｅＧａ合金の磁歪素子全体の磁束密度の変化を大きくすることができ、発電密度が１．０ｍＷ／ｃｍ３以上となったと考えられる。
【００６６】
表２の比較例２−１および比較例２−３に示すように、Ｇａ濃度が均一である磁歪素子を設置した場合、発電密度は１．０ｍＷ／ｃｍ３未満となり、×となった。これは、磁歪式振動発電装置における磁歪素子のフレーム側（固定端側）と振動板側（自由端側）とで応力分布が生じることで、磁歪材料からなる磁歪素子内を通る磁力線にも分布が生じてしまうため、磁歪素子全体の磁束密度の変化が小さくなり、発電密度が小さくなると考えられる。比較例２−２では、磁歪式振動発電装置における磁歪素子について、応力無負荷時と１５ＭＰａの圧縮応力印加時（すなわち加わる応力が大きい時）との磁束密度差が大きいＧａ濃度が高い地点Ａを振動板側（自由端側）に、応力無負荷時と５ＭＰａの圧縮応力印加時（すなわち加わる応力が小さい時）との磁束密度差が大きいＧａ濃度が低い地点Ｃをフレーム側（固定端側）に設置した。そのため、ＦｅＧａ合金の磁歪素子全体の磁束密度の変化が小さくなり、発電密度が１．０ｍＷ／ｃｍ３未満となったと考えられる。これは、磁歪式振動発電装置における磁歪素子全体の磁束密度変化が小さくなり、発電密度が小さくなったと考えられる。
【００６７】
（実施例３）
実施例３では、実施例１−１のＦｅＧａ合金のＧａ濃度を様々な数値に変化させ、かつＳｍ、ＣｕまたはＣを微量添加して磁歪素子を作製した。さらに、作製した各磁歪素子の発電密度を評価するために、実施例２と同様の方法で、磁歪素子を磁歪式振動発電装置に設置して、発電密度を測定して、添加による有効性を確認した。
【００６８】
＜各磁歪素子を備えた磁歪式振動発電装置での発電密度の評価＞
測定用磁歪素子の形状は、実施例１−１と同様に板状の形状である。ＥＰＭＡ分析により測定される地点Ａ、地点Ｂおよび地点ＣのＧａ濃度（ａｔ％）が、後の表３−１〜表３−２（地点Ａ；１９、地点Ｂ；１７．５、地点Ｃ；１６）および表４−１〜表４−２（地点Ａ；１７、地点Ｂ；１５．５、地点Ｃ；１４）に示す値となるものを準備した。実施例３−１〜実施例３−１２における各磁歪素子に添加したＳｍ、ＣｕおよびＣのいずれかの元素の種類およびその添加濃度（ａｔ％）も、後の表３−１〜表３−２および表４−１〜表４−２に示す。比較例３−１〜比較例３−１４についても、Ｓｍ、ＣｕおよびＣのいずれかの種類の元素を同様に添加したが、比較例３−１、比較例３−２、比較例３−４〜比較例３−９および比較例３−１１〜比較例３−１４については、実施例とは異なる量を添加した。比較例３−３および比較例３−１０については、磁歪式振動発電装置における磁歪素子の設置方向を他の実施例とは逆にした。
【００６９】
各磁歪素子の作製方法および切り出し方法（ワイヤー放電加工）は、前述した実施例１−１と同様であるが、Ｓｍ、ＣｕまたはＣの追加の添加元素は、最初の工程において、ＦｅおよびＧａと共に秤量し（いずれの元素も純度９９．９９％）、原料としてルツボに投入した。Ｓｍ、ＣｕまたはＣの含有率は、ＦｅおよびＧａと同様、ＥＰＭＡ分析により測定および調整した。なお、前述した実施例１−１と同様の方法で各磁歪素子を作製しても、Ｓｍ、ＣｕまたはＣについては、各磁歪素子において濃度の勾配は形成されなかった。これは、Ｇａの融点が他の元素と比べて極めて低いのでＧａが優先的に揮発するため、かつＳｍ、ＣｕまたはＣは微量しか添加されなかったためと考えられる。各磁歪素子の磁歪式振動発電装置における発電密度の測定および判定方法は、前述の実施例２と同様である。
【００７０】
以下の表３−１〜表３−２および表４−１〜表４−２に、各々、実施例３−１〜実施例３−６および比較例３−１〜比較例３−７ならびに実施例３−７〜実施例３−１２および比較例３−８〜比較例３−１４の各磁歪素子の地点Ａ、地点Ｂおよび地点ＣにおけるＧａ濃度、添加元素の種類、その添加濃度、磁歪式振動発電装置における磁歪素子の設置方向、発電密度の測定結果、および判定結果を示す。
【００７１】
【表３−１】
2020035887.tif 000005
【表３−２】
2020035887.tif 000006
【００７２】
【表４−１】
2020035887.tif 000007
【表４−２】
2020035887.tif 000008
【００７３】
表３−１および表４−１に示すように、Ｓｍを微量添加した実施例３−１、実施例３−２、実施例３−７および実施例３−８において、発電密度は１．０ｍＷ／ｃｍ３以上となり、判定は〇となった。これは、ＦｅやＧａよりも原子半径の大きいＳｍの添加により誘起される局所的なひずみ、および、Ｓｍのもつ４ｆ電子の四重極モーメントに起因する結晶磁気異方性により、飽和磁束密度が向上し、磁束密度変化が大きくなったためと考えられる。
【００７４】
一方、表３−２および表４−２に示すように、比較例３−１および比較例３−８において、Ｓｍを１．１ａｔ％添加すると、発電密度はそれぞれ０．８ｍＷ／ｃｍ３および０．５ｍＷ／ｃｍ３となり、判定は×となった。これは、固溶限界を超えてＳｍを添加しているため、第２相が出現したことで磁壁が移動しにくくなり、その結果、磁束密度変化が小さくなって、発電密度が小さくなったと考えられる。
【００７５】
表３−２および表４−２に示すように、比較例３−２および比較例３−９において、Ｓｍを０．４ａｔ％添加した場合、発電密度はそれぞれ０．９ｍＷ／ｃｍ３および０．７ｍＷ／ｃｍ３となり、判定は×となった。これは、Ｓｍの添加量が少なく、十分な飽和磁束密度が向上を発現できなかったためと考えられる。
【００７６】
この結果より、発電密度が１．０ｍＷ／ｃｍ３以上となるためには、Ｓｍの添加濃度（ａｔ％）が０．５≦Ｓｍ≦１．０の範囲であることが必要だと言える。
【００７７】
さらに、表３−２および表４−２に示すように、Ｓｍを添加した比較例３−３および比較例３−１０において、フレーム側をＧａ濃度が小さい地点Ｃとし、振動板側をＧａ濃度が大きい地点Ａとして磁歪素子を設置した場合、発電密度が０．７ｍＷ／ｃｍ３および０．６ｍＷ／ｃｍ３となり、判定は×となった。これは、実施例２の結果と同様に、応力無負荷時及び圧縮応力印加時の磁束密度差が小さくなるように設置されているため、磁歪素子全体の磁束密度変化が小さくなり、発電密度が小さくなったと考えられる。
【００７８】
表３−１および表４−１に示すように、Ｃｕを微量添加した実施例３−３、実施例３−４、実施例３−９および実施例３−１０において、発電密度は１．０ｍＷ／ｃｍ３以上となり、判定は〇となった。これはＣｕを添加することで、合金の結晶磁気異方性エネルギーを増加させることができたためと考えられる。
【００７９】
一方、表３−２および表４−２に示すように、比較例３−４および比較例３−１１において、Ｃｕを１．１ａｔ％添加すると、発電密度はそれぞれ０．５ｍＷ／ｃｍ３および０．４ｍＷ／ｃｍ３となり、判定は×となった。これは固溶限界を迎え、ＦｅＣｕ系の化合物が析出することで磁壁が移動しにくくなり、その結果、磁束密度変化が小さくなって、発電密度が小さくなったと考えられる。
【００８０】
表３−２および表４−２に示すように、比較例３−５および比較例３−１２において、Ｃｕを０．４ａｔ％添加した場合、発電密度は、それぞれ０．７ｍＷ／ｃｍ３および０．６ｍＷ／ｃｍ３となり、判定は×となった。これはＳｍの添加量が少なく、十分な飽和磁束密度が向上を発現できなかったためと考えられる。
【００８１】
この結果より、発電密度が１．０ｍＷ／ｃｍ３以上となるためには、Ｃｕの添加濃度（ａｔ％）が、０．５≦Ｃｕ≦１．０の範囲であることが必要だと言える。
【００８２】
表３−１および表４−１に示すように、Ｃを微量添加した実施例３−５、実施例３−６、実施例３−１１および実施例３−１２において、発電密度は１．０ｍＷ／ｃｍ３以上となり、判定は〇となった。これは、Ｃを添加することにより、Ｆｅ格子内に正方晶ひずみを誘起させることができたためと考えられる。
【００８３】
一方、表３−２および表４−２に示すように、比較例３−６および比較例３−１３において、Ｃを１．１ａｔ％添加すると、発電密度は、それぞれ０．９ｍＷ／ｃｍ３および０．５ｍＷ／ｃｍ３となり、判定は×となった。これは、Ｇａ含有率に対してＣ含有率が多いとき、ＣがＦｅ格子内に侵入することができなくなるため、飽和磁束密度が低下し、その結果、磁束密度変化が小さくなって、発電密度が小さくなったと考えられる。
【００８４】
表３−２および表４−２に示すように、比較例３−７および比較例３−１４において、Ｃを０．４ａｔ％添加した場合、発電密度は、それぞれ０．８ｍＷ／ｃｍ３および０．４ｍＷ／ｃｍ３となり、判定は×となった。これはＣの添加量が少なく、十分なＦｅ格子内に正方晶ひずみを誘起させることができなかったためと考えられる。
【００８５】
この結果より、発電密度が１．０ｍＷ／ｃｍ３以上となるためには、Ｃの添加濃度（ａｔ％）が、０．５≦Ｃ≦１．０の範囲であることが必要だと言える。
【００８６】
以上の結果から、ＦｅＧａ合金にＳｍ、ＣｕおよびＣの元素のいずれか１つを微量添加した磁歪素子を作製し、磁歪式振動発電装置において発電密度を測定したところ、式（１）：Ｆｅ（１００−α−β）ＧａαＸβ（αおよびβは、それぞれＧａ含有率（ａｔ％）およびＸ含有率（ａｔ％））において、０．５≦β≦１．０の範囲で、発電密度が１．０ｍＷ／ｃｍ３以上となり、好適な有効性を確認することができた。
【００８７】
また、Ｓｍは希土類であるため、同じ希土類であるＥｕ、Ｇｄ、ＴｂおよびＤｙにおいても上記と同様の効果を得ることが想定される。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明の磁歪素子は、大きい磁歪量を示し、それを用いた磁歪式振動発電装置は、より大きい発電密度を示すため、ＩｏＴの実現の糸口になり得る磁歪式センサーまたは磁歪式アクチュエータ等に適用することができる。
【符号の説明】
【００８９】
１  磁歪素子
１ａ  磁歪素子の第１端部
１ｂ  磁歪素子の第２端部
２  発電部
２ａ  発電部の第１端部
２ｂ  発電部の第２端部
３  フレーム
３ａ  フレームの第１端部
３ｂ  フレームの第２端部
３Ａ  フレームボディ
４  磁石
５  振動板
６  コイル
１０  磁歪式振動発電装置
【図１】
2020035887.tif 000009
【図２】
2020035887.tif 000010
【図３】
2020035887.tif 000011
【図４】
2020035887.tif 000012