(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、またはクラッド圧延により接合して成り、
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系合金から成り、
前記軟磁性材料は、保磁力が３Ａ／ｃｍ以下であること、また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
特徴とするエネルギー変換部材。
【請求項２】
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１記載のエネルギー変換部材。
【請求項３】
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または２記載のエネルギー変換部材。
【請求項４】
請求項１乃至３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。
【請求項５】
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４記載の振動発電装置。
【請求項６】
請求項１乃至３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。
【請求項７】
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６記載の力センサー装置。
【請求項８】
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６記載の力センサー装置。
【請求項９】
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６乃至８のいずれか１項に記載の力センサー装置。
【請求項１０】
請求項１乃至３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。
【請求項１１】
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１０記載のアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の磁歪材料を用いた一般的な振動発電装置は、片持ち梁など振動しやすい形状を有する振動部材に、接着剤等により磁歪材料を貼り付けた振動部を有し、振動部材とともに磁歪材料が振動するときの磁歪材料の逆磁歪効果を利用して発電するよう構成されている（例えば、特許文献１または２参照）。【０００３】
また、本発明者により、強靱かつ軽量で、逆磁歪効果による発電性能が高い材料として、エポキシ樹脂から成る母材の内部に、磁歪材料から成る線材を埋め込んだ複合材料が開発されている（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１７７６６４号公報
【特許文献２】特開２０１４−１０７９８２号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Fumio Narita, “Inverse Magnetostrictive Effect in Fe29Co71 Wire/Polymer Composites”, Advanced Engineering Materials, January 2017, Volume 19, Issue 1, 1600586
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【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、またはクラッド圧延により接合して成り、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系合金から成り、前記軟磁性材料は、保磁力が３Ａ／ｃｍ以下であること、また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。
【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、振動部が、固体の軟磁性材料と固体の磁歪材料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。【００１２】
本発明に係る振動発電装置は、振動体に取り付けて好適に使用される。振動体は、振動するものであればいかなるものであってもよいが、効率良く発電を行うために、振動部の振動方向に振動し、振動部の固有振動数を含むほぼ一定の周波数で振動するものが好ましい。振動体は、例えば、ポンプやモーターなどの産業用機械などである。【００１３】
本発明に係る振動発電装置で、前記振動部は、振動したときに応力集中する部分を１箇所以上有していてもよい。この場合、振動時の応力集中部付近の磁束密度の変化を大きくすることができ、応力集中する位置と発電用のコイルの位置とを調整することにより、発電効率を高めることができる。応力集中する部分は、例えば、振動部の長さ方向に沿って断面形状を変化させることにより、形成することができる。【００１４】
本発明に係る力センサー装置は、本発明に係る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。【００１５】
本発明に係る力センサー装置は、本発明に係るエネルギー変換部材から成るセンサー部に力が作用して変形したとき、力検出部で、磁歪材料の逆磁歪効果による磁化の変化を検出することができる。また、このとき、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するため、磁歪材料のみの場合よりも、磁化の変化が大きくなり、センサー部に作用する力の検出能力を高めることができる。また、センサー部が、固体の軟磁性材料と固体の磁歪材料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、作用する力に対する磁化の変化特性がばらつかず、所望の安定した磁化の変化特性を得ることができる。【００１６】
本発明に係る力センサー装置で、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てもよい。磁気センサーは、磁化の変化を漏れ磁束として検出可能なものであれば、いかなるものであってもよく、例えば、ホール素子から成っている。また、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てもよい。検出用コイルは、例えば、ソレノイドコイルである。【００１７】
本発明に係る力センサー装置で、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箇所以上有していてもよい。この場合、力が作用した時の応力集中部付近の磁束密度の変化を大きくすることができ、応力集中する位置と検出用コイル等の位置とを調整することにより、検出能力を高めることができる。応力集中する部分は、例えば、センサー部の長さ方向に沿って断面形状を変化させることにより、形成することができる。【００１８】
本発明に係るアクチュエータは、本発明に係る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。本発明に係るアクチュエータは、本発明に係る振動発電装置と同様の構成を有していてもよい。また、本発明に係るアクチュエータで、前記振動用コイルは、前記振動部の周囲に巻かれていてもよく、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てもよい。【００１９】
本発明に係るアクチュエータは、振動用コイルに電流を流したとき、その電流により磁歪材料の磁化が変化するため、磁歪材料の磁歪効果により振動部を振動させることができる。また、このとき、軟磁性材料の磁化挙動と磁歪材料の磁歪現象との相乗効果により、磁歪材料のみの場合よりも、振動効率を高めることができる。また、振動部が、固体の軟磁性材料と固体の磁歪材料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振動特性はばらつかず、所望の安定した振動特性を得ることができる。【００２０】
本発明に係るエネルギー変換部材は、比較的安価なＦｅ−Ｃｏ系合金、Ｆｅ−Ａｌ系合金、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｆｅ系合金またはＮｉ−Ｃｏ系合金から成る磁歪材料に、圧延加工や熱処理を施すことにより、エネルギー変換効率が高い磁歪材料を容易に製造することができる。このため、振動発電装置に利用したときの発電効率や、力センサー装置に利用したときの力の検出能力、アクチュエータに利用したときの振動効率を高めることができる。また、これらの磁歪材料は、加工性が良く、切削加工や曲げ加工などの塑性加工が容易であるため、容易に任意の形状にすることができる。なお、Ｎｉ−Ｆｅ系合金は、Ｆｅ含有量が２０質量％以下であることが好ましく、Ｎｉ−Ｃｏ系合金は、Ｃｏ含有量が３０質量％以下であることが好ましい。また、磁歪材料は、耐食性や耐久性を向上させるために、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ等を含んでいてもよい。
【００２１】
本発明に係るエネルギー変換部材で、軟磁性材料は、いかなるものであってもよく、例えば、純鉄やＰＢパーマロイに代表されるＦｅ−Ｎｉ系合金、ケイ素鋼、電磁ステンレス鋼から成っていてもよい。また、本発明に係るエネルギー変換部材は、例えば、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（純Ｎｉを含む）またはＮｉ−Ｃｏ系合金から成っていてもよい。この場合、振動や力の作用によって同時に発生する圧縮応力および引張応力による逆磁歪効果を利用することができ、振動発電装置に利用したときの発電能力や、力センサー装置に利用したときの力の検出能力を、さらに高めることができる。また、電流による磁化の変化によって、正および負の磁歪材料に同時に発生する磁歪効果を利用することができ、アクチュエータに利用したときの振動能力を、さ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ができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施の形態のエネルギー変換部材の、（ａ）熱拡散接合、（ｂ）熱間圧延加工、（ｃ）溶接または溶着による接合状態を示す側面図である。
【図２】本発明の実施の形態のエネルギー変換部材の、（ａ）三点曲げ試験に用いる試験片を示す斜視図、（ｂ）三点曲げ試験による磁束密度の測定試験の実施状態を示す側面図である。
【図３】図２に示すエネルギー変換部材の試験片の、三点曲げ試験による磁束密度の測定試験の結果を示す、荷重に対する磁束密度の変化のグラフである。
【図４】図２に示す三点曲げ試験による磁束密度の測定試験の、比較試験片の結果を示す、荷重に対する磁束密度の変化のグラフである。
【図５】本発明の実施の形態の振動発電装置を示す側面図である。
【図６】図５に示す振動発電装置の、純鉄とＦｅ−７０質量％Ｃｏ系合金とを熱拡散接合した振動部、および、Ｆｅ−７０質量％Ｃｏ系合金のみの振動部の、振動数に対する発電量の測定結果を示すグラフである。
【図７】図５に示す振動発電装置の、純鉄と純Ｎｉ、および、純鉄とＮｉ−１０質量％Ｆｅ系合金とをそれぞれ熱拡散接合した振動部、ならびに、純Ｎｉのみの振動部の、振動数に対する発電量の測定結果を示すグラフである。
【図８】図５に示す振動発電装置の、純鉄とＮｉ−２０質量％Ｃｏ系合金とを熱拡散接合した振動部、および、Ｎｉ−２０質量％Ｃｏ系合金のみの振動部の、振動数に対する発電量の測定結果を示すグラフである。
【図９】図５に示す振動発電装置の、純ＮｉとＦｅ−７０質量％Ｃｏ系合金とを熱拡散接合した振動部、純ＮｉとＦｅ−７０質量％Ｃｏ系合金とを接着した振動部、および、Ｆｅ−７０質量％Ｃｏ系合金のみの振動部の、振動数に対する発電量の測定結果を示すグラフである。
【図１０】図５に示す振動発電装置の、純ＮｉとＦｅ−８質量％Ａｌ系合金とを熱拡散接合した振動部、および、Ｆｅ−８質量％Ａｌ系合金のみの振動部の、振動数に対する発電量の測定結果を示すグラフである。
【図１１】図５に示す振動発電装置の、Ｎｉ−２０質量％Ｃｏ系合金とＦｅ−７０質量％Ｃｏ系合金とを熱拡散接合した振動部、および、Ｆｅ−７０質量％Ｃｏ系合金のみの振動部の、振動数に対する発電量の測定結果を示すグラフである。
【図１２】図５に示す振動発電装置の、SUS304とＦｅ−７０質量％Ｃｏ系合金とを熱拡散接合した振動部、SUS304とＦｅ−７０質量％Ｃｏ系合金とを接着した振動部、および、Ｆｅ−７０質量％Ｃｏ系合金のみの振動部の、振動数に対する発電量の測定結果を示すグラフである。
【図１３】本発明の実施の形態のアクチュエータを示す側面図である。
【図１４】本発明の実施の形態のアクチュエータの（ａ）振動部が両持ち梁状を成す変形例、（ｂ）ヨークに振動用コイルが巻かれた変形性、（ｃ）振動部のみから成り、電磁場変動体に接触させる変形例を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
［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。
【００２８】
軟磁性材料２は、例えば純鉄など、磁歪材料３とは異なる種類の磁性材料から成っている。磁歪材料３は、例えば、Ｆｅ−Ｃｏ系合金、Ｆｅ−Ａｌ系合金、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｆｅ系合金またはＮｉ−Ｃｏ系合金から成っている。Ｎｉ−Ｆｅ系合金のときは、Ｆｅ含有量が２０質量％以下であることが好ましく、Ｎｉ−Ｃｏ系合金のときは、Ｃｏ含有量が３０質量％以下であることが好ましい。また、磁歪材料３は、耐食性や耐久性を向上させるために、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ等を含んでいてもよい。エネルギー変換部材１は、図１（ａ）に示すように、加圧装置で加熱しつつ荷重を加えることにより、軟磁性材料２と磁歪材料３とが熱拡散接合されている。
【００２９】
エネルギー変換部材１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１は、例えば、軟磁性材料２と磁歪材料３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。
【００３０】
エネルギー変換部材１は、軟磁性材料２と磁歪材料３とを熱拡散接合しているため、冷却後の残留応力により、磁歪材料３の磁壁移動が容易になり、磁化変化が促進される。これにより、エネルギー変換効率を高めることができる。エネルギー変換部材１は、Ｆｅ−Ｃｏ系合金、Ｆｅ−Ａｌ系合金、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｆｅ系合金またはＮｉ−Ｃｏ系合金などの比較的安価な磁歪材料３を用いることができるため、安価かつ容易に製造することができる。また、これらの磁歪材料３は、加工性が良く、切削加工や曲げ加工などの塑性加工が容易であるため、容易に任意の形状にすることができる。
【００３１】
なお、エネルギー変換部材１で、軟磁性材料２は、磁歪材料３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っていてもよい。これらの材料として、例えば、軟磁性材料２および磁歪材料３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（純Ｎｉを含む）またはＮｉ−Ｃｏ系合金から成っていてもよい。この場合、振動や力の作用によって同時に発生する圧縮応力および引張応力による逆磁歪効果を利用することができ、エネルギー変換効率を高めることができる。
【００３２】
また、エネルギー変換部材１は、熱拡散接合に限らず、図１（ｂ）に示すローラーによる熱間圧延加工や、図１（ｃ）に示す溶接または溶着、熱間引抜加工、接着剤、クラッド圧延、爆発圧着など、いかなる方法により接合されていてもよい。熱間圧延加工および熱間引抜加工により接合した場合には、熱拡散接合の場合と同様に、エネルギー変換効率を高めることができる。
【００３３】
また、エネルギー変換部材１は、軟磁性材料２と磁歪材料３とが、負荷を加えた状態で接合されていてもよい。この場合にも、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３の磁壁移動が容易になり、磁化変化が促進されるため、エネルギー変換効率をさらに高めることができる。
【実施例１】
【００３４】
軟磁性材料２と磁歪材料３とを接合したエネルギー変換部材１のエネルギー変換効率を調べるために、エネルギー変換部材１を曲げたときの磁束密度の測定を行った。軟磁性材料２として、純Ｎｉを用い、磁歪材料３としてＦｅ−Ｃｏ系合金を用いた。また、軟磁性材料２と磁歪材料３とを、熱拡散接合（熱圧着）で接合している。エネルギー変換部材１の試験片は、図２（ａ）に示すように、長さ７０ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ１ｍｍの細長い板状とした。また、曲げたときに応力が集中するよう、試験片の両側縁の中央に、長さ２ｍｍ、深さ１ｍｍの切欠き（notch）１ａを有するものも準備した。なお、軟磁性材料２の純Ｎｉは磁歪材料３であり、負の磁歪定数を有し、磁歪材料３のＦｅ−Ｃｏ系合金は正の磁歪定数を有している。【００３５】
試験は、図２（ｂ）に示すように、三点曲げ試験により、試験片に荷重をかけて曲げ、そのときの磁束密度を測定した。三点曲げ試験では、試験片（エネルギー変換部材１）の中心位置を挟むよう、Ｌｓ＝１６ｍｍの間隔で支柱３１を設置し、試験片の中心位置に下向きに荷重Ｐをかけた。荷重Ｐは、切欠き１ａを有する試験片に対しては、Ｐ＝０Ｎ〜２５Ｎ、切欠き１ａを有しない試験片に対しては、Ｐ＝０Ｎ〜５０Ｎの範囲とした。また、試験中は、試験片の両端部に、それぞれ３５０ｍＴのネオジム磁石３２を取り付け、バイアス磁場Ｂ０Ｚを加えている。磁束密度ＢＺの測定は、荷重Ｐの直下の、試験片の中心位置の近傍で行った。【００３６】
また、試験は、試験片（エネルギー変換部材１）の表面と裏面とを入れ換えて行った。すなわち、荷重Ｐを受ける面とは反対側の面を引張面（Tension side）とし、軟磁性材料２が引張面側になる場合と、磁歪材料３が引張面側になる場合について測定を行った。なお、比較試験片として、軟磁性材料２の代わりに非磁性材料のSUS304を用いたものを作製し、同様の試験を行っている。【００３７】
エネルギー変換部材１の試験片の試験結果を図３に、比較試験片の試験結果を図４に示す。図３および図４に示すように、引張面（Tension side）側が純Ｎｉの軟磁性材料２（図４の場合には、非磁性材料）で、圧縮面側がＦｅ−Ｃｏ系合金の磁歪材料３のときの方が、その逆向きのときよりも、荷重に対する磁束密度の変化が大きくなっていることが確認された。また、切欠き（notch）１ａを有するときの方が、応力が集中するため、切欠き１ａを有しないときよりも、荷重に対する磁束密度の変化が大きくなっていることも確認された。また、同じ試験条件では、図３に示す軟磁性材料２を用いた試験片の方が、図４に示す非磁性材料を用いた比較試験片よりも、荷重に対する磁束密度の変化が大きくなっていることが確認された。【００３８】
［本発明の実施の形態の力センサー装置について］
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。【００３９】
このような力センサー装置は、センサー部の磁歪材料３の逆磁歪効果による磁化の変化だけでなく、その磁化の変化により、軟磁性材料２の磁化も変化するため、磁歪材料３のみの場合よりも、磁化の変化が大きくなり、センサー部に作用する力の検出能力を高めることができる。また、センサー部が、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、作用する力に対する磁化の変化特性がばらつかず、所望の安定した磁化変化特性を得ることができる。【００４０】
なお、力センサー装置は、力が作用した時の磁束密度の変化を大きくするために、図２に示すように、応力集中部となる切欠き１ａなどを有していてもよい。この場合、応力集中する位置と検出用コイル等の位置とを調整することにより、検出能力を高めることができる。【００４１】
［本発明の実施の形態の振動発電装置について］
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。【００４２】
ケーシング１１は、細長い直方体の箱から成り、内部に収納空間を有している。支持部１２は、厚めの板材から成り、ケーシング１１の内部の一端側に固定されている。支持部１２は、一方の表面を、ケーシング１１の他端側に向けて固定されている。【００４３】
振動部１３は、図１に示すエネルギー変換部材１から成っている。振動部１３は、ケーシング１１の内部で、支持部１２の一方の表面からケーシング１１の他端側に伸びるよう、一方の端部１３ａが支持部１２の一方の表面に固定されている。振動部１３は、支持部１２に支持された片持ち梁状を成し、長さ方向に対して垂直な方向に振動するよう構成されている。【００４４】
錘１４は、振動部１３の他方の端部１３ｂ、すなわち片持ち梁の先端に取り付けられている。磁石１５は、振動部１３の支持部１２への取付位置で、振動部１３の一方の端部１３ａおよび支持部１２に取り付けられている。磁石１５は、磁歪材料３にバイアス磁界を印加可能に、磁歪材料３に接するよう取り付けられている。発電用コイル１６は、内側に振動部１３を貫通して、振動部１３の中央付近に配置されている。【００４５】
振動発電装置１０は、ケーシング１１で振動体に設置可能に設けられ、振動体の振動により振動部１３の他方の端部１３ｂの側が振動するよう構成されている。これにより、振動発電装置１０は、振動部１３の振動による磁歪材料３の逆磁歪効果で発電するようになっている。なお、振動発電装置１０は、例えば、振動部１３の他方の端部１３ｂ付近に強制的に振動を加えるよう構成されていてもよい。【００４６】
次に、作用について説明する。
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。【００４７】
なお、振動発電装置１０で、振動部１３は、図２（ａ）に示す切欠き１ａのように、振動したときに応力集中する部分を１箇所以上有していてもよい。この場合、振動時の応力集中部付近の磁束密度の変化を大きくすることができ、応力集中する位置と発電用コイル１６の位置とを調整することにより、発電効率を高めることができる。応力集中する部分は、例えば、振動部１３の長さ方向に沿って断面形状を変化させることにより、形成することができる。また、振動発電装置１０は、錘１４を有さず、振動部１３が他方の端部１３ｂも固定された両持ち梁（両端梁、両端固定梁、両端支持梁）状を成していてもよい。
【実施例２】
【００４８】
図５に示す振動発電装置１０について、軟磁性材料２として純鉄（保磁力：０．８Ａ／ｃｍ）を用い、磁歪材料３として正の磁歪定数を有する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。実験では、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。また、振動部１３は、軟磁性材料２と磁歪材料３とを熱拡散接合で接合して形成している。【００４９】
振動体の振動数を変化させたときの発電量の測定結果を、図６に示す。なお、図６には、比較のため、Ｆｅ−７０質量％Ｃｏ系合金の磁歪材料３のみで振動部１３を形成したときの結果も示す。図６に示すように、軟磁性材料２の純鉄と磁歪材料３とを接合したとき（図６中の「純鉄熱拡散接合」）の方が、磁歪材料３のみのとき（図６中の「Fe-Co系」）よりも、全ての振動数で発電量が高くなっていることが確認された。また、軟磁性材料２の純鉄と磁歪材料３とを接合したときの方が、磁歪材料３のみのときよりも、共振周波数前後の発電量の低下が小さくなっていることも確認された。この結果から、軟磁性材料２と正の磁歪定数を有する磁歪材料３とを接合することにより、発電能力が向上することがわかる。
【実施例３】
【００５０】
図５に示す振動発電装置１０について、軟磁性材料２として純鉄（保磁力：０．８Ａ／ｃｍ）を用い、磁歪材料３として負の磁歪定数を有する純Ｎｉ、および、負の磁歪定数を有するＮｉ−１０質量％Ｆｅ系合金をそれぞれ用いた振動部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。実験では、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。また、振動部１３は、軟磁性材料２と磁歪材料３とを熱拡散接合で接合して形成している。【００５１】
振動体の振動数を変化させたときの発電量の測定結果を、図７に示す。なお、図７には、比較のため、純Ｎｉの磁歪材料３のみで振動部１３を形成したときの結果も示す。図７に示すように、軟磁性材料２の純鉄と磁歪材料３とを接合したとき（図７中の「Ni+純鉄熱拡散接合」および「NiFe+純鉄熱拡散接合」）の方が、磁歪材料３のみのとき（図７中の「Ni」）よりも、全ての振動数で発電量が高くなっていることが確認された。また、軟磁性材料２の純鉄と磁歪材料３とを接合したときの方が、磁歪材料３のみのときよりも、共振周波数前後の発電量の低下が小さくなっていることも確認された。また、磁歪材料３として純Ｎｉを用いたとき（図７中の「Ni+純鉄熱拡散接合」）と、Ｎｉ−１０質量％Ｆｅ系合金を用いたとき（図７中の「NiFe+純鉄熱拡散接合」）では、全ての振動数でほぼ同じ発電量になっていることが確認された。この結果から、軟磁性材料２と負の磁歪定数を有する磁歪材料３とを接合しても、発電能力が向上することがわかる。
【実施例４】
【００５２】
図５に示す振動発電装置１０について、軟磁性材料２として純鉄を用い、磁歪材料３として負の磁歪定数を有するＮｉ−２０質量％Ｃｏ系合金をそれぞれ用いた振動部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。実験では、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。また、振動部１３は、軟磁性材料２と磁歪材料３とを熱拡散接合で接合して形成している。【００５３】
振動体の振動数を変化させたときの発電量の測定結果を、図８に示す。なお、図８には、比較のため、Ｎｉ−２０質量％Ｃｏ系合金の磁歪材料３のみで振動部１３を形成したときの結果も示す。図８に示すように、軟磁性材料２の純鉄と磁歪材料３とを接合したとき（図８中の「NiCo+純鉄熱拡散接合」）の方が、磁歪材料３のみのとき（図８中の「Ni-Co系」）よりも、全ての振動数で発電量が高くなっていることが確認された。また、軟磁性材料２の純鉄と磁歪材料３とを接合したときの方が、磁歪材料３のみのときよりも、共振周波数前後の発電量の低下が小さくなっていることも確認された。この結果からも、軟磁性材料２と負の磁歪定数を有する磁歪材料３とを接合することにより、発電能力が向上することがわかる。
【実施例５】
【００５４】
図５に示す振動発電装置１０について、軟磁性材料２として負の磁歪定数を有する純Ｎｉ（保磁力：０．５Ａ／ｃｍ）を用い、磁歪材料３として正の磁歪定数を有する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、軟磁性材料２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。【００５５】
振動体の振動数を変化させたときの発電量の測定結果を、図９に示す。なお、図９には、比較のため、Ｆｅ−７０質量％Ｃｏ系合金の磁歪材料３のみで振動部１３を形成したときの結果も示す。図９に示すように、軟磁性材料２の純Ｎｉと磁歪材料３とを熱拡散接合したとき（図９中の「Ｎｉ熱拡散接合」）の方が、接着したとき（図９中の「Ｎｉ接着」）および磁歪材料３のみのとき（図９中の「Fe-Co系」）よりも、全ての振動数で発電量が高くなっていることが確認された。また、接着したときの方が、磁歪材料３のみのときよりも、共振周波数付近以外の振動数で発電量が高くなっていることが確認された。また、軟磁性材料２の純Ｎｉと磁歪材料３とを接合したときの方が、磁歪材料３のみのときよりも、共振周波数前後の発電量の低下が小さくなっていることも確認された。【００５６】
これらの結果から、負の磁歪定数を有する磁歪材料３の軟磁性材料２と、正の磁歪定数を有する磁歪材料３とを接合することにより、発電能力が向上することがわかる。また、軟磁性材料２と磁歪材料３とを熱拡散接合した場合、冷却後の残留応力により、接着した場合よりも発電能力がさらに高くなることがわかる。【００５７】
軟磁性材料２の純Ｎｉと磁歪材料３とを熱拡散接合したとき（図９中の「Ｎｉ熱拡散接合」）と、軟磁性材料２の純鉄と磁歪材料３とを熱拡散接合したとき（図６中の「純鉄熱拡散接合」、図７中の「Ni+純鉄熱拡散接合」および「NiFe+純鉄熱拡散接合」、ならびに、図８中の「NiCo+純鉄熱拡散接合」）とを比較すると、軟磁性材料２の純Ｎｉと磁歪材料３とを熱拡散接合したときの方が、やや発電量が大きくなっている。これは、符号の異なる磁歪定数を有する磁歪材料３を接合することにより、振動によって同時に発生する圧縮応力および引張応力による逆磁歪効果を利用できるためであると考えられる。
【実施例６】
【００５８】
図５に示す振動発電装置１０について、軟磁性材料２として負の磁歪定数を有する純Ｎｉを用い、磁歪材料３として正の磁歪定数を有するＦｅ−８質量％Ａｌ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。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。また、振動部１３は、軟磁性材料２と磁歪材料３とを熱拡散接合で接合して形成している。【００５９】
振動体の振動数を変化させたときの発電量の測定結果を、図１０に示す。なお、図１０には、比較のため、Ｆｅ−８質量％Ａｌ系合金の磁歪材料３のみで振動部１３を形成したときの結果も示す。図１０に示すように、軟磁性材料２の純Ｎｉと磁歪材料３とを接合したとき（図１０中の「Fe-Al Ni熱拡散接合」）の方が、磁歪材料３のみのとき（図１０中の「Fe-Al系」）よりも、全ての振動数で発電量が高くなっていることが確認された。また、軟磁性材料２の純Ｎｉと磁歪材料３とを接合したときの方が、磁歪材料３のみのときよりも、共振周波数前後の発電量の低下が小さくなっていることも確認された。この結果から、図９に示すＦｅ−Ｃｏ系合金を用いたときよりもやや劣るが、磁歪材料３としてＦｅ−Ａｌ系合金を用いた場合であっても、軟磁性材料２と磁歪材料３とを接合することにより、発電能力が向上することがわかる。
【実施例７】
【００６０】
図５に示す振動発電装置１０について、軟磁性材料２として負の磁歪定数を有するＮｉ−２０質量％Ｃｏ系合金（保磁力：１Ａ／ｃｍ）を用い、磁歪材料３として正の磁歪定数を有する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。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。また、振動部１３は、軟磁性材料２と磁歪材料３とを熱拡散接合で接合して形成している。【００６１】
振動体の振動数を変化させたときの発電量の測定結果を、図１１に示す。なお、図１１には、比較のため、Ｆｅ−７０質量％Ｃｏ系合金の磁歪材料３のみで振動部１３を形成したときの結果も示す。図１１に示すように、軟磁性材料２と磁歪材料３とを接合したとき（図１１中の「FeCo+NiCo熱拡散接合」）の方が、磁歪材料３のみのとき（図１１中の「Fe-Co系」）よりも、全ての振動数で発電量が高くなっていることが確認された。また、軟磁性材料２と磁歪材料３とを接合したときの方が、磁歪材料３のみのときよりも、共振周波数前後の発電量の低下が小さくなっていることも確認された。この結果から、図９に示す純Ｎｉを用いたときよりもやや劣るが、軟磁性材料２としてＮｉ−２０質量％Ｃｏ系合金を用いた場合であっても、軟磁性材料２と磁歪材料３とを接合することにより、発電能力が向上することがわかる。【００６２】
［参考例］
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。【００６３】
振動体の振動数を変化させたときの発電量の測定結果を、図１２に示す。なお、図１２には、比較のため、Ｆｅ−７０質量％Ｃｏ系合金の磁歪材料３のみで振動部１３を形成したときの結果も示す。図１２に示すように、非磁性材料のSUS304と磁歪材料３とを熱拡散接合したとき（図１２中の「SUS304接合」）の方が、接着したとき（図１２中の「SUS304接着」）および磁歪材料３のみのとき（図１２中の「Fe-Co系」）よりも、全ての振動数で発電量が高くなっていることが確認された。また、接着したときの方が、磁歪材料３のみのときよりも、共振周波数付近以外の振動数で発電量が高くなっていることが確認された。また、非磁性材料のSUS304と磁歪材料３とを接合したときの方が、磁歪材料３のみのときよりも、共振周波数前後の発電量の低下が小さくなっていることも確認された。【００６４】
これらの結果から、非磁性材料と磁歪材料３とを接合した場合であっても、軟磁性材料２を使用したときよりは劣るが、発電能力が向上することがわかる。また、非磁性材料と磁歪材料３とを熱拡散接合した場合、冷却後の残留応力により、接着した場合よりも発電能力が高くなることがわかる。【００６５】
［本発明の実施の形態のアクチュエータについて］
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。【００６６】
振動用コイル２１は、内側に、エネルギー変換部材１から成る振動部１３を貫通して、振動部１３の中央付近に配置されている。振動用コイル２１は、電流を流すことにより、磁歪材料３の磁歪効果で振動部１３を振動させるよう構成されている。【００６７】
アクチュエータ２０は、振動用コイル２１に電流を流したとき、その電流により磁歪材料３の磁化が変化するため、磁歪材料３の磁歪効果により振動部１３を振動させることができる。また、このとき、軟磁性材料２の磁化挙動と磁歪材料３の磁歪現象との相乗効果により、磁歪材料３のみの場合よりも、振動効率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振動特性はばらつかず、所望の安定した振動特性を得ることができる。【００６８】
図１３に示すように、アクチュエータ２０は、ケーシング１１や、片持ち梁の振動部１３の先端に取り付けられた錘１４に、被振動体４１を接触させることにより、被振動体４１を振動させることができる。【００６９】
なお、アクチュエータ２０は、図１４（ａ）に示すように、錘１４を有さず、振動部１３の他方の端部１３ｂも第２支持部１２ｂで固定された両持ち梁（両端梁、両端固定梁、両端支持梁）状を成していてもよい。この場合、被振動体４１に効率良く振動を伝えるため、振動部１３の一方の端部１３ａを固定する支持部１２、および他方の端部１３ｂを固定する第２支持部１２ｂのうち、少なくともいずれか一方が、弾性を有する材質から成っていることが好ましい。【００７０】
また、アクチュエータ２０は、図１４（ｂ）に示すように、振動部１３に磁気的に結合され、振動部１３から伸びるよう設けられた軟磁性のヨーク２２を有し、振動用コイル２１が、振動部１３の周囲ではなく、ヨーク２２の周囲に巻かれていてもよい。この場合にも、磁歪材料３の磁歪効果により、ヨーク２２を介して振動部１３を振動させることができる。また、振動部１３に振動用コイル２１が巻かれていないため、振動部１３をより狭い場所に挿入することができ、挿入先に存在する被振動体４１を振動させることができる。【００７１】
アクチュエータ２０は、振動を伴うものであればいかなるものであっても利用可能である。アクチュエータ２０は、例えば、わき見運転や居眠り運転を防止するために自動車のハンドルやシートに取り付けられるＨＭＩ、振動ドリルの振動源、低周波治療などの健康器具、携帯電話のバイブレータ、被振動体（壁や机、コーン、紙コップなど）をスピーカーとして使用するための振動源、ブザー、振動による警報器、ノイズキャンセラーや消音スピーカーなどの音・振動キャンセラー、モスキート音などを発生する害虫・害獣撃退器、超音波ソナー、魚群探知機、骨伝導補聴器のイヤホンやスピーカー、炭酸水やビールの泡立器、配管内の汚れ除去装置、超音波風呂、食器洗浄機や洗濯機などの超音波洗浄機、加湿器の振動源、溶接時の残留応力緩和衝撃装置、振動ペン、自動車用振動ワイパー、振動モーター、パースフィーダーなどの搬送機、防舷シールドスライダー、高周波音叉、超音波つぼマッサージ器、超音波カッター、テレビゲームのコントローラー、振動式目覚まし時計、イオン発生装置、気化装置、振動ふるい等として、あるいはこれらの振動源として使用することができる。【００７２】
なお、アクチュエータ２０は、図１４（ｃ）に示すように、エネルギー変換部材１から成る振動部１３のみから構成されていてもよい。この場合、電磁場が変化している場所や物から成る電磁場変動体４２に、近接または接触させることにより、振動部１３を振動させることができる。このため、例えば、鍋やフライパン等の底に取り付けることにより、電磁場変動体４２である電磁調理器で使用したときに、鍋やフライパン等の底を振動させて焦げ付きを防止することができる。
【符号の説明】
【００７３】
１  エネルギー変換部材
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
【図１】
0006653834.tif 000002
【図２】
0006653834.tif 000003
【図３】
0006653834.tif 000004
【図４】
0006653834.tif 000005
【図５】
0006653834.tif 000006
【図６】
0006653834.tif 000007
【図７】
0006653834.tif 000008
【図８】
0006653834.tif 000009
【図９】
0006653834.tif 000010
【図１０】
0006653834.tif 000011
【図１１】
0006653834.tif 000012
【図１２】
0006653834.tif 000013
【図１３】
0006653834.tif 000014
【図１４】
0006653834.tif 000015