FeGa 合金を利用した振動発電技術とその電池フリー IoT への応用展開
上野

敏

幸

フレームをベースに，その上面の一部に板状の FeGa 合金

.

は じめに(長手方向に磁化容易軸)を貼り付けユニモルフ(積層部)を構成し，これにコイルを巻き，内側に永久磁石を配置したもの

磁歪振動発電は磁気を介した発電技術である．磁気を介しである．発電の原理を図 1 下に示す． Fe Ga 合金は永久磁たエネルギー変換が実用的であることは，我々の使う電力の石により適度に磁気バイアスされた状態にあり，フレーム下大半が発電機(回転機)でつくられることから類推できる．発面の片端を振動する物体，例えば機械などに固定し，他端に電機はタービンの大きな回転エネルギーを，磁気を介し電気錘を取り付け振動させる．この時，錘に作用する慣性力でフエネルギーに変換する．筆者が開発する振動発電も同様，磁レーム開口部が開閉するようデバイスは変形し，合金には長歪材料の応力で磁化が変化する逆磁歪効果を巧みに利用し，手方向に引張りと圧縮の力が交互に作用する．同時に逆磁歪身の回りにある振動や動きを高効率で電力に変換する．その効果で磁束が増減し，この磁束は図 1 下のループを流れ，汎用性は極めて高く，機械振動から人・モノの動き，衝撃，この時間変化に比例した起電力がコイルに発生する．新規性

波，流れまで多くがその適用対象になる．このエネルギー変は U 字の「磁性体」と磁歪材料の積層，また磁歪材料を適換の基になる Fe Ga 合金(1)は鉄系の磁歪材料で，延性で加度に磁化させながら，フレームの積層部(直下)の部分は磁気工性がよく，大きな逆磁歪効果を有する．開発する振動発電飽和させ，それ以外は磁気飽和させない構造にある．その関デバイスはこの合金の優れた特徴を反映し，シンプルで堅係を図の B H 曲線で説明する．図中の矢印はデバイスが牢，高出力，高感度など数多くの実用的な特徴を備える．圧変形したときの Fe Ga 合金内の磁束密度で，積層構造によ電材料やエレクトレット(永久電荷)方式などの従来の振動発り合金内の応力は引張りもしくは圧縮でほぼ一様，つまり合電を凌駕し，電池を代替する．IoT(モノのインターネット)

金全体に大きな磁束変化が発生し，これがフレーム(磁気飽の課題は，無線通信モジュールの電源，つまり電池で，振動和でない部分)をヨークとした磁気回路を環流する．一方，発電で，この電池の交換や寿命管理の課題が解決されることで，IoT の普及に貢献する．またデバイスを大きくすることで，キロワットオーダの電力を生成することも可能で，電力回生や波力，潮流発電といった再生可能エネルギーの分野へも展開できる．この技術の実用化を見据え，材料からデバイス，応用まで数多くの企業が商品開発に着手した．本稿では，この磁歪振動発電と構造と原理，特徴，出力特性を述
べ，磁歪式で実現する電池フリー IoT，また大型化の展望について解説する．

.

デバイスの構造と動作原理，特徴図上が発電デバイスの構造である(2)(3) ．磁性体の U 字

図1

発電デバイスの構造(上)と発電原理(下)．

金沢大学理工研究域電子情報通信学系准教授(〒9201192 金沢市角間町)
Magnetostrictive Vibrational Power Generator and Its Application for Batteryfree IoT; Toshiyuki Ueno (Kanazawa University,Kanazawa)
Keywords: vibrational power generator, magnetostrictive material, inverse magnetostrictive eŠect, IoT
2019年 8 月20日受理[doi:10.2320/materia.59.6]

特集

図2

図3

デバイスの写真(左から小，中，大)．

図4

振動周波数 28.5 Hz の場合の発生電圧．

デバイス構成要素の BH 曲線と動作挙動．

合金直下のフレーム部分は合金と同じ磁界でほぼ磁気飽和(非磁性体と見なせる)の状態にある．結果，合金に発生した磁束変化がそのままコイルの鎖交磁束起電力に利用できる．
なお従来の磁歪材料を用いた屈曲型の振動発電の大半は，磁歪材料と非磁性体との積層で，材料に発生する応力は一様になるが，磁気バイアスや磁束の変化を上手に電力として取り出す磁気回路を構成していない．また本構造では自由端(可動部)と固定端が近い位置にあるため固定端に曲げモーメントが生じにくく，固定端に起因する損失も小さい．よって振動減衰が小さく感度も高い．また劣化の原因となる摺動部がなく，合金とフレームの剥離，金属疲労や引張強度以上の応力が発生しない限りデバイスは壊れない．シンプルで組み上げも容易，安価で構成できるのも大きな特徴である．

.

デバイスの特性

本デバイスは様々なサイズや形状の作製が可能である．その特性の概要を図の写真左の小型のサイズ(質量 4 g ，体積 0.5 cm3)で説明する．これは FeGa 合金 4× 0.5×16 mm(福田結晶技術研究所製(4) )， 0.5 mm 厚のフレーム(ベーナイト鋼)，線径 0.05 mm ， 3500 巻きのコイル， Nd Fe B 磁

図5

振動周波数 28.5 Hz ，加速度 0.075 m / s2 の場合の発生電力．

石 4 × 3 × 2 mm で構成される．一般に振動発電では共振現象を利用し，振動源の周波数とデバイスの共振周波数を一致させることで振幅が最大になり大きな発電が行われる．また発電原理を裏付ける．また先端に錘を付けず先端を弾く自由大きな振動を得るためには先端に錘を付けた方がよい．例え振動(共振周波数 420 Hz)では 25 V の電圧が発生し，0.5～1ば こ れ に 錘 10.2 g を 付 け た 場 合 ， 周 波 数 28.5 Hz で 共 振mJ のエネルギーが取り出せる．磁歪式では，スケール効果し，加速度 0.049 G(1 G＝9.8 m/s2)で，1 V の電圧(開放)がが成り立ち，形状を 3 辺等尺で K 倍すると，共振周波数は発生する(図)．これに抵抗を付けてジュール損で考慮した

1 / K ，電圧は K 倍，コイルの巻き数が同じなら抵抗は 1 /電 力 を 評 価 し た 結 果 が 図  で ， 0.075 G で 最 大 電 力 1.1

K，結果，出力は K の 3 乗，つまり体積に比例する(5)．図 3mW ，実効電力 0.39 mW を出力する．なお 28.5 Hz ， 0.075の写真の中，右のデバイスは，前述の小型をそれぞれ 2 倍，G の振動振幅は 0.015 mm(指で触れてもほとんど感じない)4 倍したもので，動作周波数はそれぞれ 1/2， 1/4 となり出で，この時の出力 0.39 mW は，コイン電池 CR2032 (直径

力は 8 倍， 64 倍になる．以上の関係からデバイスの動作周20 mm，質量 2.9 g)を 3 年間持たせる場合の平均電力 0.026

波数と発生電力(実効)をまとめると図になる．筆者は，小mW を大きく上回る．錘 1.7 g の場合， 88.7 Hz で共振し，型デバイスを10倍，1/2 倍にした超大型，超小型のデバイス

0.6 G で更に大きな電力 2.0 mW を出力する．実際，発生電(図 6 中に写真あり)も開発している．

圧から逆算した合金内の磁束変化は 1.3 T で，先に説明した

ま て り あ 第59巻 第 1 号(2020)
Materia Japan

変換効率について，実測で機械エネルギーの最大 40 を図6

デバイスサイズによる動作周波数と発生電力(実効値)．右上は超小型 1/2 サイズとコイン電池の写真である．

図7

磁歪振動発電デバイスで実現できる電池フリー
IoT．

電気エネルギーとして取り出すことができることを確認してユーザに知らせる．これにより簡単に防犯や見守り，呼び出いる．これは FeGa 合金の高い電気機械結合係数(0.7～0.8しのシステムができる．

程度)と優れた構造と磁気回路に由来する．比較として，板( b ) 工場の生産機械や工作機械，モータ，変圧器などの電に圧電素子を貼り付けたユニモルフ型の場合，圧電横効果を気機器，橋の振動で発電し，これを蓄電することで，機械や利用し，材料に応力が付与される長手方向と垂直な方向から構造体の振動周波数，加速度，温度などのセンサ信号を電荷を取り出す．横効果の電気機械結合係数は PZT で0.3～

LPWA (低電力長距離無線モジュール)で定期的に送信す0.4 程度，変換効率は最大 16 程度である．ほか電磁誘導る．これら信号の時刻暦を分析することで機械の予兆保全が式，例えば永久磁石の往復運動を利用するタイプでは，磁石出来る．人が現地で行う定期的な計測が不要になり，人件費を相当に変位させないと，コイルの鎖交磁束が変化しない．の削減に繋がる．

これは空隙の磁気エネルギーが主になるからで，付随して大( c ) 例えば土砂や水位の動き，波などで大きな動きで発電きな磁気力が発生する．結果，磁石を保持する機構が必要し，その情報を遠隔に知らせることで防災が出来る．

で，摺動損が生じ，これが効率と感度，耐久性を低下させ上記を実現するための技術的手法を以下に示す．

る．磁歪式では，錘の振動速度が適度で，その運動を妨げる(ⅰ) 小型のデバイスを基本に，ボタンを押すやドアを開く摺動部がない．よって効率と感度と共に耐久性も高い．疲労

動きでデバイスを励振し(別途，永久磁石の吸脱着で自由振試験も実施し，錘なしで共振 420 Hz，8 G，1 億回の繰り返動を発生させる)，一度で 0.5 mJ のエネルギーを発生し，無し振動後も出力の劣化がないことを確認し，半永久の寿命を線モジュール( interplan 社製 IM315(7) )を動作し，信号を送もつ可能性を実証している(6)．

信する．一度の動作の発電(2019年現在，中型デバイスを利用)でアナログ信号を長距離で飛ばすことも可能で，例えば

.

磁歪振動発電による電池フリー IoT

ドアを開くことで，動きと共にその部屋の温度を送信するシステムもできる(8)．これは従来の低出力な振動発電ではでき磁歪振動発電を IoT 電源に利用すると図のような主に 3ない使い方である．

つのシステムが構築できる．

(ⅱ) 中型のデバイスで 30 Hz，0.2 G 程度の振動で，マイコ( 1 ) 人やモノの「一度」のちょっとした動きや衝撃で発電

ンとセンサを動作させ，2 分おきに加速度センサで振動の周し，近距離に無線を送信する

波数と加速度(実効値)，温度を送信するシステムを完成して( 2 ) 定常的な振動や風などで発電し，定期的に長距離にセいる(図)．このときデバイスは乾電池以上の電力を出力しンサ信号を無線送信するている．また振動だけでなく風速 1 m / s 以下の微風による( 3 ) 大きな動きで発電し，長距離にセンサ信号を送信す振動でも発電し(9)，定期的にセンサ信号を送信するシステム

る，等である．

もできる．

3 つのシステムの主な応用例とそれによる効果を以下に示す．

(ⅲ) デバイスを大型化することで，大きな入力に対応し，(a) 例えば家屋や学校，病院，飲食店などで，ドアや窓を開ワットオーダの発電，また長距離の通信を行うことも可能で

く，照明のスイッチや呼び出しボタンを押すなど，デバイスある．ほか靴底にデバイスを取り付ける(10)と一歩毎(衝撃発に構造的な工夫を施し，一度のモノの動き，衝撃でデバイス電)にスマホ通信を行うことができ，これは玩具や楽器，スを 励 振 し ， 無 線 送 信 を 行 う ． こ れ ら の 信 号 を PC やポーツ用具に応用できる．これら入力になる振動や動きと送Raspberry Pi で一括に受信し，メールや Line などで遠隔の信するセンサ信号を組み合わせれば応用は無限である．これ

特集

表1

図8

無線センサシステムの写真．デバイスとセンサ(加速度，温度)，電力変換回路，マイコン，無線通信モジュール( interplan 社製 IM920(7) )で構成される．

スケール効果を考慮した寸法と動作周波数と発生電力の関係．

代表長さ(mm)
合金寸法(mm)

体積

先端
変位mm

動作
周波数Hz

発生
電力
W

40
4×0.5×161(基準)

2501m

400
40×5×160×103

205

4000
400×50×1600×106

200

0.5動作周波数Hz発生電力W

150101k50100 k

させるのに類似し，振動発電においても入力として例えば水流(潮流)が利用できる．つまりデバイスに水流を当て高速に振動することができれば高出力の発電も実現できる．この鍵を握るのが合金の大型かつ低コスト化である．この点，現状の FeGa 合金では対応できず FeAl 合金など安価な磁歪材

ら応用では様々な振動や動き，衝撃，流れ等で如何にデバイ料の開発が求められる．逆磁歪効果の発現機構と合わせ，磁スを励振するかがポイントで，この点，磁歪式は形状の自由歪材料においてはまだ不明な点や改善できる点も多く，日本度が高い．例えば， U の先端や固定端を伸ばし折り曲げるの金属材料とその製造を専門とする研究者や技術者の活躍に(作用力や振動方向の変換)，U をスプリング要素にする(強期待したい．

制変位発電)，U のフレームを平板にする(平型)，U の先端に流体で振動する物体を取り付ける(流力振動発電)など様々な工夫や使い方ができる．

本研究は，文部科学省「地域イノベーション・エコシステ
ム形成プログラム」の「楽して安全，振動発電を用いた電池フリー無線センサの事業化とその応用展開」(中心研究者

.

まとめ上野敏幸)の一環として実施されている．

文

磁 歪 振 動 発 電 に 関 し て IoT へ の 応 用 を メ イ ン に 解 説 し献た．近年，様々な振動発電デバイスが開発されているが，電池以上の出力と半永久の寿命がなければ置き換えのメリットはない．本開発デバイスは，この両方を満たし，シンプルで極めて高い自由度と汎用性を有し，量産にも適する．ある分
野を皮切りに技術が普及する日もそう遠くない．最後にこの技術の最終的な目標はエネルギー問題の解決である．スケー
ル効果で現状の小型のデバイスを10倍，100倍するとミリワットからワット，キロワットの電力が取り出せる(表)．実際，筆者はワット級のデバイスも試作し，この関係を実証している．大型化するとゆっくり揺れることで，あとはこれを変形させるための力である．例えばこれに水の力，つまり波力や潮流を利用する．現状の波力発電のほとんどがゆっくりの直進運動をギア等で高速回転に変換し発電するタイプで，( 1 ) A. E. Clark, M. WunFogle and J. b. Restorff: IEEE, Trans.
Mag., 37(2000), 32383240.
( 2 ) 上野敏幸日本 AEM 学会誌，26, 1(2018), 185190.
( 3 ) 上野敏幸特許第6343852(2018).
( 4 ) 南都十輝他まてりあ，56(2017), 2729.
( 5 ) 上野敏幸日本 AEM 学会誌，22, 3(2014), 368373.
( 6 ) 上野敏幸，森山壮詞，南谷 保第26回 MAGDA コンファレ
ンス in 金沢講演論文集，(2017)，399
400.
( 7 ) https://www.interplan.co.jp/( 8 ) 開地成人，上野敏幸第 31 回「電磁力関連のダイナミクス」
シンポジウム講演論文集，(2019)，24B21.
( 9 ) K. Hasegawa, T. Ueno and T. Kiwata: IEEE Transactions onMagnetics, 55(2019), 2904538.
( 10 ) 南谷 保，上野敏幸第 30 回「電磁力関連のダイナミクス」
シンポジウム講演論文集，(2018)，320
325.
(11) 竹内寿太郎大学課程 電気設計学，オーム社，(2016)．
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

構造が繁雑で効率も低い．一方，磁歪式ではメートル級で波2000 年に東北大学 工学研究科 機械電子工学専攻で博士(工学)の学位を取得．
日本学術振興会特別研究員，東京大学特任助教などを経て， 2009 年に金沢大学 理工研究域 電子情報学系准教授に着任．現在に至る．振動発電デバイスからIoT 応用まで一連の研究開発を実施している．の力を直接受け変形し発電する構造が取れる．つまり上記の優れた特徴を維持し，シンプルで高効率，高耐久な波力発電が実現できる．もしこれを高速に振動することが出来れば，電気機器の容量は周波数が一定とすると寸法の 4 乗に比例★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

する(11) に従い，寸法の 4 乗倍の電力が取り出せると予想される．このような使い方は水力発電所でタービンを高速回転

ま て り あ 第59巻 第 1 号(2020)
Materia Japan上野敏幸

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