Copyright ©2023 by the Magnetics Society of Japan.
This article is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0)
http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

T. Magn. Soc. Jpn. (Special Issues)., 8, 6-9 (2024)<Paper>アモルファスリボンと樹脂による複合材料を用いた振動発電
Vibration energy harvesting using composite materialsof amorphous ribbon and resin
上倉拓郎 a,b)，後藤太一 b)，石山和志 b) †東北大学大学院 工学研究科，宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉 6-6 (〒980-8579)
東北大学 電気通信研究所，宮城県仙台市青葉区片平 2-1-1 (〒980-8577)a)b)

Takuo Kamikuraa,b), Taichi Gotob) and Kazushi Ishiyamab)†Graduate School of Engineering, Tohoku Univ., 6-6 Aramaki Aza Aoba, Aoba-ku, Sendai, Miyagi 980-8579, JapanRIEC Tohoku Univ., 2-1-1 Katahira, Aoba-ku, Sendai, Miyagi 980-8577, Japana)b)

We propose a novel system for generating vibration power using composite amorphous ribbons as analternative to cantilevers. While the cantilever is effective for narrowband vibration, the structure of this system iseffective for broadband vibration. To prove the effectiveness of this structure, we measured the change in magnetic
properties of the composite amorphous ribbon with and without compressive stress applied and and the power
generation properties under vibration with a low amplitude and arbitrary frequency. In the measurement of themagnetic properties, the change in magnetic flux density tended to increase as the strain increased. In themeasurement of the power generation characteristics, a power generation of 19.2 W was obtained even at a vibration
frequency of 700 Hz and an amplitude of 450 nm, which is not the resonance frequency. The theoretical andexperimental values from the two experiments were consistent, confirming that the inverse magnetostriction effect
was responsible for the power generation. Therefore, we conclude that the novel structure for generating vibration
power using composite amorphous ribbons is effective for low-amplitude broadband vibration.
Key words: energy harvesting, vibration power generation, composite material, soft magnetic materials, broadband
vibration
はじめにに圧縮応力を印加すると，円周方向に引っ張り応力が発生する．

 近年，IoT デバイスの動力源である電池の交換や廃棄に関する諸その結果，逆磁歪効果により円周方向に磁化容易軸が誘導され，問題がネットワーク社会に対する大きな課題とされている 1)．そこで，環境に存在する希薄なエネルギーを収穫して電力に変換する，環境発電技術 2)を利用した発電デバイスが開発されている．光 3)，振動 1)，
電磁波 5)等がエネルギー源として挙げられているが，
熱 4)，
中でも振動は低消費電力機器への電力供給源として注目されている 6)．振動を用いた発電方式は大きく分けて電磁誘導方式 1)，静電圧電効果 8)を用いた方式と3 つある．
本研究では特に，誘導方式 7)，磁歪材料であるアモルファスリボンが持つ逆磁歪効果を利用した電磁誘導方式の振動発電に注目してきた 9)．また，これまで同種の研究で行われてきた片持ち梁構造に代えて発電可能な周波数帯域が広く，バイアス磁界の均一性にも優れた筒状にアモルファスリボンを成形した構造を提案した 10)．本報告では，酸化防止や耐久性の向上を目的として紫外線硬化樹脂を用いて筒状アモルファスリボンを複合材料化し，圧縮応力印加時の BH 曲線の測定・発電実験を行った．

熱処理によって軸方向を向いていた磁気モーメントが円周方向に変化する．よって，コイル内の磁束密度が時間変化し，ファラデーの電磁誘導の法則から電圧に変換される．
 従来の逆磁歪式振動発電手法の片持ち梁と比較すると，振動周波数とバイアス磁界の均一性に特徴がある．
まず，使える周波数帯域が片持ち梁では共振周波数付近に限定され狭く，新構造では環境周波数 11)全体に対応しており広いことである．片持ち梁構造では，共振周波数でのみ大きな振動が得られることから，発電に活用できる周波数の帯域は狭くなる．それに対して新構造では，共振を利用しないことから環境に存在する数十 Hz～数 kHz の帯域すべてにおいて電圧を発生させることができ，使える周波数帯域が広い．この性質により複数の周波数を持つ振動源のエネルギーを有効に活用することができ，複数の周波数を持つ実際の環境下では，新構造の方が取り出せる電力量の総量は大きくなる．
加えて，バイアス磁界の均一性は新構造に優位性がある．逆磁新しい振動発電機構の提案

歪効果による磁束密度変化量はバイアス磁界量によって変動し，最も変化が大きくなるバイアス磁界を印加し続けることが発電量

 片持ち梁構造に代わる振動発電機構として Fig. 1 のような構造を取り出す上で最も効率が良くなる．しかし，片持ち梁構造や Uを提案する．シンプルな構造の筒状に巻いた磁歪材料の周りを樹字型デバイス 12」は梁を大きく揺らすことで発電するため，磁気回脂でコーティングした試料である．また，中心部に磁石を挿入し路内の空隙が変動し，逆磁歪式振動発電に必要な直流バイアスのており，逆磁歪式振動発電に必須となるバイアス磁界を均一に与量が振動とともに最適値から外れ，発電量が想定よりも小さくなえている．発電する際は試料の周囲にコイルを巻き，軸方向に応る．したがって，片持ち梁構造は狭帯域の振動に有効なのに対し力の印加と除荷を振動によって繰り返し与えて発電する．軸方向て，新構造は広帯域の振動に対して有効であると言える．これら                                   を含む比較表を Table 1 に示す．
Corresponding author: K．Ishiyama(e-mail: kazushi.ishiyama.d8@tohoku.ac.jp)．

6Transaction of the Magnetics Society of Japan (Special Issues) Vol.8, No.1, 2024

Fig. 2 に示すような BH ループトレーサー14)を構築し，試料の軸方向に圧縮応力を印加した状態で測定できるようにした．圧縮応力の印加はバネを利用しており，印加応力はバネの寸法変化とバネ定数から算出した．ソレノイドコイルにより 0.1 Hz の正弦波交流磁界を試料の軸方向に印加し，900 ターンの検出コイルからの出力を NI 社製の DAQ デバイスで読み取り，PC 上で LabVIEW により制御して BH 曲線を得た．このとき印加した応力により試料は最大で 1314 ppm 圧縮変形した．この歪量は，試料を構成するアモルファスリボンと紫外線硬化樹脂のヤング率と断面積，印加した応力から算出した．
発電実験
 発電実験では Fig. 3 の装置構成を用いて，抑え治具と加振機の間に複合アモルファスリボンを挟み，軸方向に圧縮応力がかかるように 700 Hz の振動を加えた．700 Hz は電車橋で測定された周波数 15)及びその高調波成分として定め

Fig. 1 Schematic diagram of structure
for vibration power generation．
Table 1た．試料中心の磁石により BH 曲線から求めた最適なバイ

Comparison of new structure andcantilever．

アス磁界 8.3 kA/m を印加した状態で振動による応力が加わると，試料の周りに巻かれたコイル内で逆磁歪効果により試料内部の磁束が時間変化し，電圧が発生する．発生電Points

NewstructureCantilever

圧を積分し，磁束密度に変換した．

Available frequency bands

BroadNarrowを用いた変位量測定を行った．測定した変位量から試料の〇△Uniformityof bias magnetic fieldDevice strength〇

Ease of installation△Power generation△

 発電実験では同時に，レーザードップラー変位計(LDV)圧縮歪量を算出した．発電実験で算出された磁束密度変化量と圧縮歪量が BH 曲線から求まる理論値と比較し，実験の整合性を確認した．

〇〇―
by bias magnetic field〇: Good, △: Bad, ―: Not at all
実験方法

試料の作成方法
 2605HB1M のアモルファスリボン(プロテリアル製，ヤング率：120 GPa)を 20 mm × 100 mm に切り出して，直径 8 mm × 高さ20 mm になるように筒状に丸める．さらに，磁界中で熱処理を行い，軸方向に磁気異方性の誘導・加工時の歪取りを行った．まFig. 2

System for measuring B-H curves.

た，酸化防止や耐久性の向上を目的として筒状のアモルファスリボンを紫外線硬化樹脂(ヤング率：1.67 GPa13))に埋め込み複合化を行う．出来上がったアモルファスリボンと紫外線硬化樹脂を複合化させた試料（以下「複合アモルファスリボン」という）の中心に磁石を挿入するため直径 2 mm の穴をあけた．
 また発電実験では，試料周囲におよそ 12 mm の幅で線径 60 mのコイルを 3840 ターン巻いた．また，アモルファスリボンに BH曲線から求まる最適なバイアス磁界 8.3 kA/m がかかるように表面磁束密度 275 mT，直径 2 mm × 高さ 2mm のサマリウムコバ
ルト磁石を 9 つ直列に並べて試料中心に挿入した．
応力印加時の %+ 曲線の測定 複合アモルファスリボンの磁気特性は，応力印加下で行った．

Fig. 3

Schematic diagram of the constructed setup
for harvesting.

Transaction of the Magnetics Society of Japan (Special Issues) Vol.8, No.1, 20247実験結果及び考察

れて磁束密度変化量が増えていく様子がわかる．また，磁束密度変化量は飽和しておらず，更なる圧縮歪量を加えた応力印加時の磁気特性の変化

検討が必要であると考えられる．

 Fig. 4(a)に複合アモルファスリボンの BH 曲線を示す．0～

発電特性

16 kA/m に注目して拡大したものを Fig. 4(b)に示す．また，最も 測定結果を Fig. 6 に示す．260 mVrms の電圧が出力さ磁束密度変化量が大きくなった磁界増加過程での印加磁界れており，ファラデーの電磁誘導の法則から積分すると8.3 kA/m に点線を引いている．0 ppm から圧縮歪量が増えていく18 mT の磁束密度変化量と算出された．最大電力供給の法につれて BH 曲線が傾きが緩やかになっていく様子がわかる．こ則からコイルと同抵抗の素子をコイルに繋いだ場合，取りれは円筒状の複合アモルファスリボンに対して軸方向に圧出せる電力は 19.2 W と算出された．この値は，センサー縮応力を印加すると，円周方向に引張応力が発生しその結などのデバイスを運用するのに十分な電力量である 16)．ま果，正磁歪材料であるアモルファスリボンの磁気特性が変た，レーザードップラー変位計の計測結果を Fig. 7 に示す．

化したためである．特に，1314 ppm の圧縮歪量を加えた際の測定結果から発電実験中，試料は 900 nmp-p 変位しており変化が一番大きく，印加磁界 8.3 kA/m で最大の磁束密度変化量

試料長さが 20 mm ということを考慮すると 45 ppm の圧縮534 mT を記録した．また，8.3 kA/m を最適なバイアス磁界とし歪量が加えられていた．つまり，700 Hz かつ 450 nm の低て BH 曲線から圧縮歪量と磁束密度変化量の関係図を示したもの

振幅振動下でもセンサーを運用するのに十分な発電能力をが Fig. 5(a)である．さらに，0～60 ppm に注目して拡大したもの発揮したことから新しい振動発電機構を用いた振動発電はを Fig. 5(b)に示す．Fig. 5 中の点線は，線形近似した際，45 ppm

広帯域低振幅振動を対象とした発電に適していると考えらの圧縮歪量を加えると 19.7 mT の磁束密度変化が起こることを示れる．

している．Fig. 4 同様に Fig. 5 からも圧縮歪量が増えるにつ(a) -32 kA/m to 32 kA/m BH curve
Fig. 4

Change in BH curve under compressive stress.

(a) 0 ppm to 1314 ppm with strain applied
Fig. 58(b) Enlarged BH curve(b) Enlarged view

Relationship between strain and flux density change at 8.3 kA/m

Transaction of the Magnetics Society of Japan (Special Issues) Vol.8, No.1, 2024

Fig. 6

Generated voltage and flux density change
during power generation experiment.       Fig. 7 Strain and displacement
during power generation experiment.

%+ 曲線と発電実験の整合性の確認．
が期待できることを明らかにした．

 発電実験では，試料に 45 ppm の圧縮歪量が加えられ，

 今後は大振幅振動での発電能力の評価とそれに伴う耐久その結果 18 mT の磁束密度変化量が推定された．BH 曲線性の確認を行い，実際の運用に向けた検討を行う．

からは，45 ppm の圧縮歪量を加えると 19.7 mT の磁束密5HIHUHQFHV

度変化が起こることが分かった．2 つの実験の結果はおおよそ一致しており，このことから逆磁歪効果により19.2 W の電力が発電できたと結論付けた．また，今後はBH 曲線を基に実際の発電量を推察できるようになったこともわかる．
まとめ 片持ち梁に代わる新しい振動発電機構の提案を行い，その有効性を示すために複合アモルファスリボンの磁気特性と発電特性の測定を行った．結果として，圧縮応力を加えたときに磁束密度の減少が見られ，圧縮歪量との関係性が示された．また，発電実験では，45 ppm の圧縮歪量が加1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
9)
10)

えられ 19.2 W の電力を得た．2 つの実験から BH 曲線より求まる理論値と発電実験の結果が一致したことから逆磁歪効果により発電されたと結論付け，今後は BH 曲線から発電量を考察できるようになったといえる．

11)
12)

 700 Hz・450 nm 程度の低振幅の振動下においても13)

19.2 W とセンサーを運用するのに十分な発電能力 16)を発14)揮したことから複合アモルファスリボンを用いた新しい振動発電機構は広帯域低振幅振動に適している．また，複数15)の周波数を持つ振動源で運用すると，周波数ごとの電力量16)が合算され更に大きな発生電力量が見込める．
 さらに，1000 ppm を超える歪振幅を印加できれば数十 mW と無線通信の動力源としても期待できる量の発電

T. Ueno: J. Appl. Phys., 89, 82 (2020).
K. Takeuchi: J. Surf. Finish. Soc. Jpn., 67, 334 (2016).
M. Kameda: J. IEIE. Jpn., 36, 363 (2016).
R. J. M. Vullers, R. van Schaijk, H. J. Visser, J. Penders,and C. Van Hoof: IEEE Solid-State Circuits Magn., 4, 18(2005).
Y. Kawahara: J. JSAEM, 22, 380 (2014).
I. Kanno: J. Surf. Finish. Soc. Jpn., 67, 348 (2016).
Y. Suzuki: J. JSAEM, 22, 361 (2014).
M. Renaud, K. Karakaya, T. Sterken, P. Fiorini, C. Van
Hoof, and R. Puers: Sens. Actuators A, 145, 380 (2008).
F. Osanai, S. Hashi, and K. Ishiyama: “Study on energy
harvesting with amorphous ribbons”, Annual Meeting
Record I.E.E. Jpn., 146 (2019).
T. Kamikura, T. Goto, and K. Ishiyama: “Basic study ofvibration power generation using tubular amorphousribbon”, Annual Meeting Record I.E.E. Jpn., 119 (2023).
K. A. Cook-Chennault, N. Thambi, and A. M. Sastry:
Smart Mater. Struct., 17, 043001 (2008).
T. Minamitani and T. Ueno: IEEJ Trans. Fundam. Mater.,
139, 285 (2019).
H. Takase, I. Watanabe, and T. Ukaji: J. Network Polymer,
17, 127 (1996).
K. Ozawa, S. Hashi, and K. Ishiyama: T. Magn. Soc. Jpn.
(Special Issues), 6, 15 (2022).
T. Inoue and Y. Kobayashi : J. Struct. Eng. A, 67A, 555(2021).
T. Higashino, A. Uchiyama, S. Saruwatari, H. Yamaguchi,
and T. Watanabe: Proc. 39th IEEE Int. Conf. on
Distributed Computing Systems (ICDCS 2019), 1787(2019).

年月日受理，年月日再受理，年月日採録

Transaction of the Magnetics Society of Japan (Special Issues) Vol.8, No.1, 2024

9