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特開2020-191777トランスデューサ並びにこれを用いたアクチュエータ及びエネルギハーベスタ
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2020-191777(P2020-191777A)
(43)【公開日】2020年11月26日
(54)【発明の名称】トランスデューサ並びにこれを用いたアクチュエータ及びエネルギハーベスタ
(51)【国際特許分類】
H02K 35/02 20060101AFI20201030BHJP
H02K 41/03 20060101ALI20201030BHJP
【ＦＩ】
H02K35/02
H02K41/03 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】ＯＬ
【全頁数】18
(21)【出願番号】特願2020-84235(P2020-84235)
(22)【出願日】2020年5月13日
(31)【優先権主張番号】特願2019-91261(P2019-91261)
(32)【優先日】2019年5月14日
(33)【優先権主張国】JP
(71)【出願人】
【識別番号】000003067
【氏名又は名称】ＴＤＫ株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】304021417
【氏名又は名称】国立大学法人東京工業大学
(74)【代理人】
【識別番号】100115738
【弁理士】
【氏名又は名称】鷲頭 光宏
(74)【代理人】
【識別番号】100121681
【弁理士】
【氏名又は名称】緒方 和文
(72)【発明者】
【氏名】門田 祥悟
(72)【発明者】
【氏名】藤原 良元
(72)【発明者】
【氏名】進士 忠彦
(72)【発明者】
【氏名】韓 冬
(72)【発明者】
【氏名】木根 諒
【テーマコード（参考）】
5H641
【Ｆターム（参考）】
5H641BB06
5H641BB19
5H641GG02
5H641GG07
5H641HH03
(57)【要約】
【課題】力と電気との変換効率が優れたトランスデューサを提供する。【解決手段】トランスデューサ１は、磁石１０Ａと、磁石１０Ａの磁極面１１と重なる配線２０とを備える。配線２０は、磁極面１１と重なる部分において、互いに同方向に電流が流れる複数の配線部分２１〜２３を有し、且つ、磁極面１１に対して垂直な方向における幅をａとし、磁極面と平行な方向における幅をｂとした場合、ａ／ｂで定義されるアスペクト比が１を超える。このように、配線２０のアスペクト比が１超であることから、磁石１０Ａと重なる部分により多くの配線部分を配置することが可能となる。これにより、電気と力の相互変換効率を高めることが可能となる。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
磁石と、
前記磁石の磁極面と重なる配線と、を備え、
前記配線は、前記磁極面と重なる部分において、互いに同方向に電流が流れる複数の配線部分を有し、且つ、前記磁極面に対して垂直な方向における幅をａとし、前記磁極面と平行な方向における幅をｂとした場合、ａ／ｂで定義されるアスペクト比が１を超えることを特徴とするトランスデューサ。
前記磁石の磁極面と重なる配線と、を備え、
前記配線は、前記磁極面と重なる部分において、互いに同方向に電流が流れる複数の配線部分を有し、且つ、前記磁極面に対して垂直な方向における幅をａとし、前記磁極面と平行な方向における幅をｂとした場合、ａ／ｂで定義されるアスペクト比が１を超えることを特徴とするトランスデューサ。
【請求項2】
前記配線の断面が矩形であることを特徴とする請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項3】
前記磁石は、前記磁極面がＮ極である第１の磁石と、前記磁極面がＳ極である第２の磁石を含み、
前記第１の磁石と重なる前記複数の配線部分と、前記第２の磁石と重なる前記複数の配線部分には、互いに逆方向の電流が流れることを特徴とする請求項１又は２に記載のトランスデューサ。
前記第１の磁石と重なる前記複数の配線部分と、前記第２の磁石と重なる前記複数の配線部分には、互いに逆方向の電流が流れることを特徴とする請求項１又は２に記載のトランスデューサ。
【請求項4】
前記配線は、コイル軸方向が前記磁極面に対して垂直となるようスパイラル状に巻回されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のトランスデューサ。
【請求項5】
前記磁石は、前記磁極面がＮ極である第１の磁石と、前記磁極面がＳ極である第２の磁石を含み、
前記第１の磁石と重なる前記配線からなる第１のコイルパターンと、前記第２の磁石と重なる前記配線からなる第２のコイルパターンには、互いに逆方向に周回する電流が流れることを特徴とする請求項４に記載のトランスデューサ。
前記第１の磁石と重なる前記配線からなる第１のコイルパターンと、前記第２の磁石と重なる前記配線からなる第２のコイルパターンには、互いに逆方向に周回する電流が流れることを特徴とする請求項４に記載のトランスデューサ。
【請求項6】
前記磁石の前記磁極面の幅が３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のトランスデューサ。
【請求項7】
前記複数の配線が基板上に形成されており、前記磁石と前記複数の配線のギャップのばらつきが１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のトランスデューサ。
【請求項8】
請求項１乃至７のいずれか一項に記載のトランスデューサと、前記配線に駆動電流を供給する駆動回路とを備えることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項9】
請求項１乃至７のいずれか一項に記載のトランスデューサと、前記配線に流れる誘導電流に基づいて出力電圧を生成する整流変圧回路とを備えることを特徴とするエネルギハーベスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は電磁誘導デバイスであるトランスデューサに関し、特に、アクチュエータ又はエネルギハーベスタとして利用できるトランスデューサに関する。
【背景技術】
【0002】
近年、磁石とコイルを用いて微弱な振動を電力に変換する装置が注目されている。このような装置は、エネルギハーベスタ又はマイクロ発電デバイスと呼ばれ、外部電源や電池が不要な電源フリー自立型モジュールへの応用が期待されている。例えば、特許文献１には、板状の磁石と２つのコイルを用いたエネルギハーベスタが開示されている。また、特許文献２には、多極磁石とそれに合わせた蛇行形状コイルを用いたアクチュエータが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２００９−２６８２２９号公報
【特許文献2】国際公開第２０１７／１２６５７７号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
エネルギハーベスタにおいて発電量と発生電圧を大きくするためには、磁石と重なる配線の本数を増やすこと、並びに、配線の電気抵抗を小さくすることが有効である。しかしながら、磁石と重なる配線の本数を増やすために配線を細くすると電気抵抗が大きくなり、配線の電気抵抗を小さくするために配線を太くすると磁石と重なる配線の本数が減るため、両立は必ずしも容易ではないという問題があった。
【0005】
このような問題は、配線に電流を流すことによって、磁石と配線の位置関係を相対的に変化させるアクチュエータにおいても生じる問題である。アクチュエータにおいて、許容電流値内で発生力を大きくし発熱量を小さくするためには、エネルギハーベスタと同様、磁石と重なる配線の本数を増やし電気抵抗を小さくすることが有効である。しかしながら、上述のとおり、これらを両立することは必ずしも容易ではない。
【0006】
したがって、本発明の目的は、発電量と発生電圧の両方が大きいエネルギハーベスタ、並びに、発生力は大きいが発熱量は小さいアクチュエータとして利用可能なトランスデューサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明によるトランスデューサは、磁石と、磁石の磁極面と重なる配線とを備え、配線は、磁極面と重なる部分において、互いに同方向に電流が流れる複数の配線部分を有し、且つ、磁極面に対して垂直な方向における幅をａとし、磁極面と平行な方向における幅をｂとした場合、ａ／ｂで定義されるアスペクト比が１を超えることを特徴とする。
【0008】
本発明によれば、配線のアスペクト比が１超であることから、配線の幅を小さくできるためより多くの配線部分を磁石と重なるように配置することができ、また、配線の厚みを大きくできるため電気抵抗を小さくすることが可能となる。これにより、発電量と発生電圧の両方が大きいエネルギハーベスタ、或いは、発生力が大きく発熱量が小さいアクチュエータを実現できる。
【0009】
本発明において、配線の断面は矩形であっても構わない。これによれば、配線の断面積を最大化することが可能となる。
【0010】
本発明において、磁石は、磁極面がＮ極である第１の磁石と、磁極面がＳ極である第２の磁石を含み、第１の磁石と重なる複数の配線部分と、第２の磁石と重なる複数の配線部分には、互いに逆方向の電流が流れるものであっても構わない。これによれば、同極の磁石を用いた場合および同方向の電流を流した場合と比べ、より大きな発電力又は駆動力を得ることが可能となる。
【0011】
本発明において、配線は、コイル軸方向が磁極面に対して垂直となるようスパイラル状に巻回されていても構わない。これによれば、３次元的な動きを電力に変換することができ、或いは、配線に電流を流すことによって３次元的な駆動を行うことが可能となる。この場合、磁石は、磁極面がＮ極である第１の磁石と磁極面がＳ極である第２の磁石を含み、第１の磁石と重なる配線からなる第１のコイルパターンと、第２の磁石と重なる配線からなる第２のコイルパターンには、互いに逆方向に周回する電流が流れるものであっても構わない。これによれば、同極の磁石を用いた場合および同方向の電流を流した場合と比べ、より大きな発電力又は駆動力を得ることが可能となる。
【0012】
本発明において、磁石の磁極面の幅は３ｍｍ以下であっても構わない。これによれば、エネルギハーベスタとして利用する際には振幅の小さい微弱な振動を効率よく電力に変換することが可能となり、また、ステッピングアクチュエータとして利用する際には、位置決め分解能を向上させることが可能となる。
【0013】
本発明において、複数の配線が基板上に形成されており、磁石と複数の配線のギャップのばらつきが１０μｍ以下であっても構わない。これによれば、ギャップのばらつきに起因する発電量の低下や発熱量の増加を最小限に抑えることが可能となる。
【0014】
本発明によるトランスデューサは、配線に駆動電流を供給する駆動回路をさらに備えるものであっても構わない。これによれば、本発明によるトランスデューサをアクチュエータとして用いることが可能となる。
【0015】
本発明によるトランスデューサは、配線に流れる誘導電流に基づいて出力電圧を生成する整流変圧回路をさらに備えるものであっても構わない。これによれば、本発明によるトランスデューサをエネルギハーベスタとして用いることが可能となる。
【発明の効果】
【0016】
このように、本発明によれば、発電量と発生電圧の両方が大きいエネルギハーベスタ、並びに、発生力は大きいが発熱量は小さいアクチュエータとして利用可能なトランスデューサを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。
【0019】
＜第１の実施形態＞図１は、本発明の第１の実施形態によるトランスデューサ１の構成を示す模式的な斜視図である。また、図２（ａ）はトランスデューサ１の略平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）に示すＡ−Ａ線に沿った略断面図である。
【0020】
図１及び図２に示すように、第１の実施形態によるトランスデューサ１は、平板状の磁石１０Ａと、配線部分２１〜２３を含む配線２０を備えている。磁石１０Ａは、ｘｙ平面を磁極面とし、配線２０と向かい合う側の磁極面１１がＮ極であり、その反対側の磁極面１２がＳ極である。図１及び図２に示す例では、磁石１０Ａのｘｙ平面形状が略正方形であるが、本発明がこれに限定されるものではない。磁石１０Ａは、真空蒸着法などを用いて支持基板上に形成した膜でもよく、めっき法や電析法などを用いて支持基板上に成膜した厚膜でもよく、焼結磁石やボンド磁石などのバルク状磁石でも構わない。特に限定されるものではないが、磁石１０Ａとしては磁気特性の観点から異方性ネオジム磁石を用いることが好ましい。磁化容易軸は厚み方向（ｚ方向）である。
【0021】
配線２０は平面視で、つまりｚ方向から見て、磁石１０Ａと重なりを有している。図１及び図２に示す例では、配線２０を構成する３本の配線部分２１〜２３が磁石１０Ａと重なっているが、配線部分の本数がこれに限定されるものではない。配線２０は、銅（Ｃｕ）などの良導体からなり、そのｘｚ断面は矩形である。特に、配線２０のｚ方向における幅をａとし、配線２０のｘ方向における幅をｂとした場合、ａ／ｂで定義されるアスペクト比は１を超えている。つまり、図２（ｂ）に示すようにｙ方向から見ると、配線２０は縦長形状を有している。
【0022】
アスペクト比の高い配線２０を形成する方法としては、次の方法が挙げられる。まず、基板上にチタン（Ｔｉ）や金（Ａｕ）などからなるシード層を形成した後、フォトリソグラフィー法によってシード層をパターニングする。次に、基板上のシード層以外の部分に永久レジストを構成する樹脂を形成した後、シード層に通電することで銅（Ｃｕ）などからなるメッキ層を形成する。これにより、高アスペクト比の配線２０を形成することができる。但し、配線２０の形成方法がこれに限定されるものではなく、リフトオフ等他の技術を用いて配線２０を形成しても構わない。
【0023】
配線２０の主要部分（ブリッジ部や取り回し部を除く）は、１層であっても構わない。これによれば、高アスペクト比な配線であるゆえに、磁石からの磁場が強い範囲全体に配線２０を配置することがでるとともに、層を重ねる構造ではないため層間配線が不要となり、製造時の工数を減らすことができる。また、配線２０は基板上に固定され、かつ、樹脂中に埋め込まれ、さらに樹脂の最表面の表面粗さ（Ｒｚ）が１０μｍ以下に整えられていても構わない。これによれば、磁石と配線を近づけることが可能となり、発電量や駆動力が向上する。
【0024】
配線２０の配線部分２１〜２３には、互いに同一方向に電流が流れるよう構成されている。これにより、例えば、符号Ｉで示す方向に電流を流すと、磁石１０Ａと配線２０の間には図２（ｂ）に示すローレンツ力Ｆが働く。このように、配線２０に電流を流すと、磁石１０Ａと配線２０のｘ方向における相対的な位置関係が変化することから、アクチュエータとして機能する。或いは、外力が作用することによって、磁石１０Ａと配線２０のｘ方向における相対的な位置が変化すると、配線２０には誘導電流が発生する。したがって、本実施形態によるトランスデューサ１は、エネルギハーベスタとして用いることができる。
【0025】
そして、本実施形態においては、配線２０のアスペクト比が１を超えていることから、配線２０の断面積を確保しつつ、より多くの配線部分２１〜２３を磁石１０Ａと重なるように配置することができる。配線２０のアスペクト比については１超であれば特に限定されないが、２程度とすることが好ましい。また、配線２０のｘｚ断面については矩形である必要はなく、例えばｚ方向を長軸方向とする楕円形であっても構わない。但し、断面を矩形とすることにより、断面積を最大化することが可能となる。
【0027】
図３に示すように、第２の実施形態によるトランスデューサ２は、磁石１０Ａ，１０Ｂがｘ方向に隣接して２個配置されているとともに、磁石１０Ａと磁石１０Ｂは、極性が逆となるよう配置されている。例えば、図３（ｂ）に示す左側の磁石１０Ａは、配線２０と向かい合う側の磁極面１１がＮ極であるのに対し、図３（ｂ）に示す右側の磁石１０Ｂは配線２０と向かい合う側の磁極面１２がＳ極である。さらに、配線２０は、６つの配線部分２１〜２６を有しており、このうち配線部分２１〜２３は磁石１０Ａと重なる一方、配線部分２４〜２６は磁石１０Ｂと重なる。その他の構成は、第１の実施形態によるトランスデューサ１と同様である。したがって、配線２０のアスペクト比は１を超えている。
【0028】
本実施形態においては、配線２０に符号Ｉで示す方向に電流を流すと、配線部分２１〜２３には−ｙ方向に電流が流れ、配線部分２４〜２６には＋ｙ方向に電流が流れる。このため、符号Ｉで示す方向に電流を流すと、磁石１０Ａ，１０Ｂと配線２０の間には、いずれも図３（ｂ）に示すローレンツ力Ｆが働く。或いは、外力が作用することによって、磁石１０Ａ，１０Ｂと配線２０のｘ方向における相対的な位置が変化すると、配線２０には誘導電流が発生する。
【0029】
このように、本実施形態によるトランスデューサ２は、磁石１０Ａ，１０Ｂがｘ方向に隣接して２個配置されていることから、アクチュエータとして用いた場合の駆動力や、エネルギハーベスタとして用いた場合の発電力を第１の実施形態によるトランスデューサ１の２倍以上に高めることが可能となる。使用する磁石１０Ａ，１０Ｂの数については特に限定されず、より多くの磁石をストライプ状又はマトリクス状に配置することによって、駆動力又は発電力をより高めることが可能となる。
【0031】
図４に示すように、第３の実施形態によるトランスデューサ３は、磁石１０Ａと重なる配線２０がスパイラル状に巻回されている。スパイラル状に巻回された配線２０のコイル軸はｚ方向である。その他の構成は、第１の実施形態によるトランスデューサ１と同様である。したがって、配線２０のアスペクト比は１を超えている。
【0032】
本実施形態においては、配線２０に符号Ｉで示す方向に電流を流すと、磁石１０Ａと配線２０との間で磁気吸引力が生じ、磁石１０Ａと配線２０の距離が接近する。このため、例えば配線２０が固定されている場合、磁石１０Ａが−ｚ方向に変位する。逆に、配線２０に符号Ｉで示す方向とは逆方向に電流を流すと、磁石１０Ａと配線２０との間で磁気反発力が生じ、磁石１０Ａと配線２０の距離が離れる。このため、例えば配線２０が固定されている場合、磁石１０Ａが＋ｚ方向に変位する。
【0033】
このため、本実施形態によるトランスデューサ３は、配線２０に電流を流すことによって磁石１０Ａを変位させるアクチュエータとして機能する。或いは、外力が作用することによって、磁石１０Ａと配線２０のｚ方向における相対的な位置が変化すると、配線２０には誘導電流が発生するため、エネルギハーベスタとしても機能する。そして、本実施形態においては、配線２０のアスペクト比が１を超えているため、配線２０の断面積を確保しつつ、より多くのターン数を得ることが可能となる。
【0035】
図５に示すように、第４の実施形態によるトランスデューサ４は、マトリクス状に配置された複数の磁石１０Ａ，１０Ｂと、磁石１０Ａ，１０Ｂと重なる複数のコイルパターン２０Ｒ，２０Ｌからなる配線２０を有している。上述の通り、磁石１０Ａは、配線２０と向かい合う側の磁極面１１がＮ極であり、その反対側の磁極面１２がＳ極である。また、磁石１０Ｂは、配線２０と向かい合う側の磁極面１２がＳ極であり、その反対側の磁極面１１がＮ極である。磁石１０Ａの磁極面１１（Ｎ極）と磁石１０Ｂの磁極面１２（Ｓ極）は同一平面を構成している。磁石１０Ａのｘ方向及びｙ方向には磁石１０Ｂが隣接し、磁石１０Ｂのｘ方向及びｙ方向には磁石１０Ａが隣接する。磁石１０Ａ，１０Ｂの平面形状が正方形である場合、ｘ方向及びｙ方向における幅は３ｍｍ以下であることが好ましい。
【0036】
コイルパターン２０Ｒ，２０Ｌは、磁石１０Ａ，１０Ｂと同一ピッチでマトリクス状に配置されている。ここで、矢印Ｉで示す方向に電流を流すと、コイルパターン２０Ｒには右回り（時計回り）に電流が流れ、コイルパターン２０Ｌには左回り（反時計回り）に電流が流れる。そして、図５に示す状態では、磁石１０Ａ，１０Ｂとコイルパターン２０Ｒ，２０Ｌがｘ方向に１／４ピッチずれた状態で重ねられている。
【0037】
その結果、コイルパターン２０Ｒ，２０Ｌのうち、＋ｙ方向に電流が流れる配線部分は磁石１０Ａと重なり、−ｙ方向に電流が流れる配線部分は磁石１０Ｂと重なる。このため、配線２０に電流を流すと、第２の実施形態において説明したように、互いに同じ方向（−ｘ方向又は＋ｘ方向）にローレンツ力が作用する。或いは、外力が作用することによって、磁石１０Ａ，１０Ｂと配線２０のｘ方向における相対的な位置が変化すると、配線２０には誘導電流が発生する。
【0038】
そして、本実施形態においても、配線２０のアスペクト比が１超であることから、配線２０の断面積を確保しつつ、より多くのターン数を得ることが可能となる。
【0039】
図６は、磁石１０Ａ，１０Ｂとコイルパターン２０Ｒ，２０Ｌがｙ方向に１／４ピッチずれた状態で重ねられている状態を示している。この場合、コイルパターン２０Ｒ，２０Ｌのうち、＋ｘ方向に電流が流れる配線部分は磁石１０Ａと重なり、−ｘ方向に電流が流れる配線部分は磁石１０Ｂと重なる。このため、配線２０に電流を流すと、互いに同じ方向（−ｙ方向又は＋ｙ方向）にローレンツ力が作用する。或いは、外力が作用することによって、磁石１０Ａ，１０Ｂと配線２０のｙ方向における相対的な位置が変化すると、配線２０には誘導電流が発生する。
【0040】
このように、本実施形態によるトランスデューサ４は、配線２０に電流を流すことによって、磁石１０Ａ，１０Ｂとコイルパターン２０Ｒ，２０Ｌの相対的な位置関係をｘ方向又はｙ方向に移動させることが可能となる。或いは、外力によって磁石１０Ａ，１０Ｂとコイルパターン２０Ｒ，２０Ｌの相対的な位置関係がｘ方向又はｙ方向に変化すると、配線２０には誘導電流を発生させることが可能となる。
【0041】
さらに、磁石１０Ａ，１０Ｂとコイルパターン２０Ｒ，２０Ｌの平面位置がほぼ一致した状態で配線２０に電流を流すと、第３の実施形態によるトランスデューサ３と同様、磁石１０Ａ，１０Ｂと配線２０との間で磁気吸引力又は磁気反発力が生じる。或いは、磁石１０Ａ，１０Ｂとコイルパターン２０Ｒ，２０Ｌの平面位置がほぼ一致した状態で、外力によって磁石１０Ａ，１０Ｂとコイルパターン２０Ｒ，２０Ｌのｚ方向における距離が変化すると、配線２０には誘導電流が発生する。したがって、本実施形態によるトランスデューサ４は、３次元的な動きを電力に変換することができ、或いは、配線２０に電流を流すことによって３次元的な駆動を行うことが可能となる。特に、磁石１０Ａ，１０Ｂのｘ方向及びｙ方向における幅を３ｍｍ以下とすれば、２ｍｍ程度の微弱な振動を効率よく電力に変換することが可能となる。
【0043】
図７に示す駆動回路３０は、制御信号ＣＮＴに基づいて駆動信号Ｄを生成する制御回路３１と、駆動信号Ｄを駆動電流Ｉに変換するアンプ３２とを有している。制御信号ＣＮＴは、アクチュエータであるトランスデューサ１〜４の動作量を指示する信号であり、例えばアクチュエータであるトランスデューサ１〜４を手ぶれ補正機構として使用する場合には、加速度センサなどから供給される手ぶれ検出信号が該当する。制御回路３１は、制御信号ＣＮＴに基づき、駆動量を示す駆動信号Ｄを生成し、これをアンプ３２に供給する。そして、アンプ３２によって駆動信号Ｄが駆動電流Ｉ１に変換され、これが配線２０に供給される。これにより、制御信号ＣＮＴに基づいて、磁石１０Ａ又は磁石１０Ｂと配線２０を相対的に２次元駆動又は３次元駆動させることが可能となる。
【0045】
各実施形態によるトランスデューサ１〜４をエネルギハーベスタとして用いる場合、整流変圧回路４０に誘導電流Ｉ２を入力する。誘導電流Ｉ２は、配線２０に生じる電流である。整流変圧回路４０は、誘導電流Ｉ２を整流し、出力電圧ＯＵＴを生成する。これにより、トランスデューサ１〜４に外力が作用すると、出力電圧ＯＵＴを得ることが可能となる。
【0046】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【0047】
例えば、第１〜第４の実施形態によるトランスデューサ１〜４は、磁石とコイルパターンがｚ方向に向かい合う構成を有しているが、一対のコイルパターンによって磁石をｚ方向から挟み込む構成であっても構わないし、一対の磁石によってコイルパターンをｚ方向から挟み込む構成であっても構わない。このような構成を有するトランスデューサによれば、アクチュエータやエネルギハーベスタに使用した場合により高い駆動力又は発電力を得ることが可能となる。
【実施例】
【0048】
種々の構成を有するトランスデューサのモデルＮｏ．１〜Ｎｏ．２６を想定し、エネルギハーベスタとして利用した場合の発電量と発生電圧、並びに、アクチュエータとして利用した場合の発生力と発熱量をシミュレーションした。シミュレーションには、株式会社ＪＳＯＬ社製の電磁界解析ソフトＪＭＡＧ−Ｄｅｓｉｇｎｅｒを用い、有限要素法解析によって２次元シミュレーションを行った。
【0049】
モデルＮｏ．１〜Ｎｏ．４の構成は図９に示す通りであり、ｘ方向及びｙ方向における幅が２ｍｍ、ｚ方向における厚みが０．５ｍｍである磁石１０Ａと、コイルを構成する３本の配線部分２１〜２３を想定した。配線部分２１〜２３に流れる電流方向は互いに同じである。磁石１０Ａの磁気特性には、ＪＭＡＧライブラリ内のＴＤＫ製ネオジム磁石ＮＥＯＲＥＣ ４６ＨＦ（残留磁束密度Ｂｒ：１．３８Ｔ、保磁力Ｈｃｂ：１０７０ｋＡ／ｍ）を選択した。着磁方向はｚ方向である。コイルを構成する配線部分２１〜２３のｚ方向における厚みはａ、ｘ方向における幅はｂであり、磁石１０Ａと配線部分２１〜２３のｚ方向におけるギャップｇ１〜ｇ３は、いずれも０．１５ｍｍである。配線部分２１〜２３のｙ方向における長さは２ｍｍであり、全長に亘って磁石１０Ａと重なりを持たせた。ａ，ｂの値は図１９に示すとおりであり、モデルＮｏ．１〜Ｎｏ．４におけるａの値はそれぞれ４０μｍ、８０μｍ、１２０μｍ、１６０μｍである。ｂの値はいずれも８０μｍである。配線部分２１〜２３の材料特性としては、ＪＭＡＧライブラリ内の銅（比抵抗１．６７×１０−８Ω・ｍ）を選択した。なお、磁石、磁石１０Ａ及び配線部分２１〜２３のｙ方向における長さは２ｍｍとし、全部品を２０℃に設定とした。
【0050】
モデルＮｏ．５の構成は図１０に示す通りであり、１本の配線部分２２によってコイルが構成されている点において、モデルＮｏ．１〜Ｎｏ．４と相違している。図１９に示すように、モデルＮｏ．５におけるａ，ｂの値はそれぞれ１６０μｍ、４００μｍであり、図９に示す配線部分２１と２２の間、並びに、配線部分２２と２３の間を同じ導電材料で埋めた構成に相当する。
【0051】
モデルＮｏ．６の構成は図１１に示す通りであり、コイルを構成する配線部分２１〜２３のエッジがＲ＝０．０４ｍｍでフィレットがけされた形状を有する点において、モデルＮｏ．４と相違している。図１９に示すように、モデルＮｏ．６におけるａ，ｂの値はモデルＮｏ．４と同じである。
【0052】
モデルＮｏ．７の構成は図１２に示す通りであり、磁石１０Ｂと配線部分２４〜２６が追加されている点において、モデルＮｏ．４と相違している。磁石１０Ａと磁石１０Ｂのｘ方向における間隔は０．５ｍｍである。モデルＮｏ．７においては、磁石１０Ａ，１０Ｂの着磁方向が互いに同じであり、配線部分２１〜２６に流れる電流方向も互いに同じである。磁石１０Ａと配線部分２１〜２６のｚ方向におけるギャップｇ１〜ｇ６は、いずれも０．１５ｍｍである。図１９に示すように、モデルＮｏ．７におけるａ，ｂの値はモデルＮｏ．４と同じである。
【0053】
モデルＮｏ．８の構成は図１３に示す通りであり、磁石１０Ａ，１０Ｂの着磁方向が互いに逆であり、配線部分２１〜２３に流れる電流方向と配線部分２４〜２６に流れる電流方向が互いに逆である点において、モデルＮｏ．７と相違している。
【0054】
モデルＮｏ．９は、配線部分２２，２３の厚みａをそれぞれ２μｍ、１μｍ薄くし、これにより、ギャップｇ２が０．１４８ｍｍ（ギャップｇ１より−２μｍ）、ギャップｇ３が０．１４９ｍｍ（ギャップｇ１より−１μｍ）である点において、モデルＮｏ．４と相違している。したがって、ギャップｇ１〜ｇ３の最小値と最大値の差（ばらつき）は、図２０に示すように２μｍである。
【0055】
モデルＮｏ．１０は、配線部分２２，２３の厚みａをそれぞれ４μｍ、２μｍ薄くし、これにより、ギャップｇ２が０．１４６ｍｍ（ギャップｇ１より−４μｍ）、ギャップｇ３が０．１４８ｍｍ（ギャップｇ１より−２μｍ）である点において、モデルＮｏ．４と相違している。したがって、ギャップｇ１〜ｇ３の最小値と最大値の差（ばらつき）は、図２０に示すように４μｍである。
【0056】
モデルＮｏ．１１は、配線部分２２，２３の厚みａをそれぞれ６μｍ、３μｍ薄くし、これにより、ギャップｇ２が０．１４４ｍｍ（ギャップｇ１より−６μｍ）、ギャップｇ３が０．１４７ｍｍ（ギャップｇ１より−３μｍ）である点において、モデルＮｏ．４と相違している。したがって、ギャップｇ１〜ｇ３の最小値と最大値の差（ばらつき）は、図２０に示すように６μｍである。
【0057】
モデルＮｏ．１２は、配線部分２２，２３の厚みａをそれぞれ８μｍ、４μｍ薄くし、これにより、ギャップｇ２が０．１４２ｍｍ（ギャップｇ１より−８μｍ）、ギャップｇ３が０．１４６ｍｍ（ギャップｇ１より−４μｍ）である点において、モデルＮｏ．４と相違している。したがって、ギャップｇ１〜ｇ３の最小値と最大値の差（ばらつき）は、図２０に示すように８μｍである。
【0058】
モデルＮｏ．１３は、配線部分２２，２３の厚みａをそれぞれ１０μｍ、５μｍ薄くし、これにより、ギャップｇ２が０．１４ｍｍ（ギャップｇ１より−１０μｍ）、ギャップｇ３が０．１４５ｍｍ（ギャップｇ１より−５μｍ）である点において、モデルＮｏ．４と相違している。したがって、ギャップｇ１〜ｇ３の最小値と最大値の差（ばらつき）は、図２０に示すように１０μｍである。
【0059】
モデルＮｏ．１４は、配線部分２２，２３の厚みａをそれぞれ１２μｍ、６μｍ薄くし、これにより、ギャップｇ２が０．１３８ｍｍ（ギャップｇ１より−１２μｍ）、ギャップｇ３が０．１４４ｍｍ（ギャップｇ１より−６μｍ）である点において、モデルＮｏ．４と相違している。したがって、ギャップｇ１〜ｇ３の最小値と最大値の差（ばらつき）は、図２０に示すように１２μｍである。
【0060】
モデルＮｏ．１５は、配線部分２２，２３の厚みａをそれぞれ１４μｍ、７μｍ薄くし、これにより、ギャップｇ２が０．１３６ｍｍ（ギャップｇ１より−１４μｍ）、ギャップｇ３が０．１４３ｍｍ（ギャップｇ１より−７μｍ）である点において、モデルＮｏ．４と相違している。したがって、ギャップｇ１〜ｇ３の最小値と最大値の差（ばらつき）は、図２０に示すように１４μｍである。
【0061】
モデルＮｏ．１６は、配線部分２２，２３の厚みａをそれぞれ１６μｍ、８μｍ薄くし、これにより、ギャップｇ２が０．１３４ｍｍ（ギャップｇ１より−１６μｍ）、ギャップｇ３が０．１４２ｍｍ（ギャップｇ１より−８μｍ）である点において、モデルＮｏ．４と相違している。したがって、ギャップｇ１〜ｇ３の最小値と最大値の差（ばらつき）は、図２０に示すように１６μｍである。
【0062】
モデルＮｏ．１７は、配線部分２２，２３の厚みａをそれぞれ１８μｍ、９μｍ薄くし、これにより、ギャップｇ２が０．１３２ｍｍ（ギャップｇ１より−１８μｍ）、ギャップｇ３が０．１４１ｍｍ（ギャップｇ１より−９μｍ）である点において、モデルＮｏ．４と相違している。したがって、ギャップｇ１〜ｇ３の最小値と最大値の差（ばらつき）は、図２０に示すように１８μｍである。
【0063】
モデルＮｏ．１８は、配線部分２２，２３の厚みａをそれぞれ２０μｍ、１０μｍ薄くし、これにより、ギャップｇ２が０．１３ｍｍ（ギャップｇ１より−２０μｍ）、ギャップｇ３が０．１４ｍｍ（ギャップｇ１より−１０μｍ）である点において、モデルＮｏ．４と相違している。したがって、ギャップｇ１〜ｇ３の最小値と最大値の差（ばらつき）は、図２０に示すように２０μｍである。
【0064】
モデルＮｏ．１９〜Ｎｏ．２２の構成は図１４に示す通りであり、磁石１０Ａと、コイルを構成する６本の配線部分２１〜２６を想定した。配線部分２１〜２３に流れる電流方向と、配線部分２４〜２６に流れる電流方向は互いに逆である。磁石１０Ａのサイズ及び磁気特性、並びに、配線部分２１〜２６の電気特性は、モデルＮｏ．１〜Ｎｏ．１８と同じである。モデルＮｏ．１９〜Ｎｏ．２２におけるａ，ｂの値は、図２１に示す通りである。磁石１０Ａと配線部分２１〜２６のｚ方向におけるギャップｇ１〜ｇ６は、いずれも０．１５ｍｍである。配線部分２１，２６は磁石１０Ａと重なりを有しておらず、配線部分２２，２５はｘ方向における半分が磁石１０Ａと重なりを有しており、配線部分２３，２４は全長に亘って磁石１０Ａと重なっている。
【0065】
モデルＮｏ．２３の構成は図１５に示す通りであり、２本の配線部分２２，２５によってコイルが構成されている点において、モデルＮｏ．２２と相違している。図２１に示すように、モデルＮｏ．２３におけるａ，ｂの値はそれぞれ１６０μｍ、４００μｍであり、図１４に示す配線部分２１と２２の間、並びに、配線部分２２と２３の間を同じ導電材料で埋め、配線部分２４と２５の間、並びに、配線部分２５と２６の間を同じ導電材料で埋めた構成に相当する。
【0066】
モデルＮｏ．２４の構成は図１６に示す通りであり、コイルを構成する配線部分２１〜２６のエッジがＲ＝０．０４ｍｍでフィレットがけされた形状を有する点において、モデルＮｏ．２２と相違している。
【0067】
モデルＮｏ．２５の構成は図１７に示す通りであり、磁石１０Ｂが追加されるとともに、配線部分２１Ａ〜２５Ａ，２１Ｂ〜２５Ｂが用いられている点において、モデルＮｏ．２２と相違している。磁石１０Ａと磁石１０Ｂのｘ方向における間隔は０．５ｍｍである。モデルＮｏ．２５においては、磁石１０Ａ，１０Ｂの着磁方向が互いに同じである。また、配線部分２１Ａ〜２３Ａ，２４Ｂ，２５Ｂに流れる電流方向と、配線部分２４，２５Ｂ，２１Ｂ〜２３Ｂに流れる電流方向は互いに逆である。磁石１０Ａ，１０Ｂと配線部分２１Ａ〜２５Ａ，２１Ｂ〜２５Ｂのｚ方向におけるギャップは、いずれも０．１５ｍｍである。
【0068】
モデルＮｏ．２６の構成は図１８に示す通りであり、磁石１０Ｂと配線部分２７〜２９が追加されている点において、モデルＮｏ．２２と相違している。磁石１０Ａと磁石１０Ｂのｘ方向における間隔は０．５ｍｍである。モデルＮｏ．２６においては、磁石１０Ａ，１０Ｂの着磁方向が互いに逆であり、配線部分２１〜２３，２７〜２９に流れる電流方向と、配線部分２４〜２６に流れる電流方向は互いに逆である。磁石１０Ａ，１０Ｂと配線部分２１〜２９のｚ方向におけるギャップは、いずれも０．１５ｍｍである。
【0069】
シミュレーション結果を図１９〜図２１に示す。モデルＮｏ．１〜Ｎｏ．２６をエネルギハーベスタとして利用した場合の計算では、コイル（配線）を固定し、磁石を振幅２ｍｍ（片振幅１ｍｍ）、周波数１０Ｈｚで振動させ、コイルに誘導起電力を発生させる動磁場解析を行った。比較的低周波であるのは、環境発電を想定したためである。振動方向はｘ方向又はｚ方向である。ｚ方向の振動では磁石とコイルのギャップ値が変化するが、最小で０．１５ｍｍとなるように磁石の初期位置を設定した。コイルは純抵抗と接続し、その純抵抗にて消費される電力を発電量とし、コイル両端の電圧を発生電圧とした。なお、コイルのインダクタンスは本モデルでは十分に小さいためゼロとし、コイルの抵抗値は計算式（Ｒ＝ρＮＬ／ａｂ）から算出した。なお、Ｒは抵抗値、ρは比抵抗、Ｎは配線の数、Ｌは配線の長さ（２ｍｍ）である。また、純抵抗の抵抗値は、発電量を最大とするためコイルの抵抗値と同値とした。
【0070】
モデルＮｏ．１〜Ｎｏ．２６をアクチュエータとして利用した場合の計算では、磁石とコイルを両方固定し、コイルに１Ａ通電させ、コイルにローレンツ力を発生させる静磁場解析を行った。電気回路の制限で電流値の上限が決まっているデバイスを想定した。
【0071】
図１９及び図２０に示すように、モデルＮｏ．１〜Ｎｏ．１８における発電量、発生電圧、発生力及び発熱量は、モデルＮｏ．２において得られた値を１００％とした相対値である。このうち、モデルＮｏ．９〜Ｎｏ．１８に関しては、モデルＮｏ．４において得られた値を１００％とした発電量及び発熱量の相対値も示されている。図２１に示すように、モデルＮｏ．１９〜Ｎｏ．２６における発電量、発生電圧、発生力及び発熱量は、モデルＮｏ．２０において得られた値を１００％とした相対値である。尚、モデルＮｏ．２における発電量は２．７１０×１０−８Ｗ、発生電圧は１．７２６×１０−５Ｖ、発生力は０．０００９６５６Ｎ、発熱量は０．１５６８４４Ｗである。また、モデルＮｏ．２０における発電量は１．０８３×１０−８Ｗ、発生電圧は１．４３６×１０−５Ｖ、発生力は０．００２７５２１Ｎ、発熱量は０．０３１３６８８Ｗである。ここで、発電量は１周期の値を平均化したものであり、発生電圧は絶対値を１周期で平均化したものである。また、発生力は、上記の方法で計算したローレンツ力値であり、発熱量は上記の方法で計算した抵抗値と通電量（１Ａ）をもとに計算式（Ｐ＝ＲＩ２）から算出した値である。
【0072】
モデルＮｏ．１〜Ｎｏ．４の比較や、モデルＮｏ．１９〜Ｎｏ．２２の比較から分かるように、アスペクト比（ａ／ｂ）が大きくなるほど、エネルギハーベスタとして利用した場合の発電量が増加し、アクチュエータとして利用した場合の発熱量が低下した。アスペクト比の小さいモデルＮｏ．５及びＮｏ．２３では、モデルＮｏ．４及びＮｏ．２２よりもより大きな発電量が得られたが、コイル本数が少ないことから、エネルギハーベスタとして利用した場合の発生電圧が小さく、アクチュエータとして利用した場合の発生力が小さかった。また、配線部分２１〜２６をフィレットがけしたモデルＮｏ．６及びＮｏ．２４においては、モデルＮｏ．４やＮｏ．２２と比べ、エネルギハーベスタとして利用した場合の発電量がやや低下し、アクチュエータとして利用した場合の発熱量がやや増加した。
【0073】
２つの磁石１０Ａ，１０Ｂを用いたモデルＮｏ．７，Ｎｏ．８，Ｎｏ．２５，Ｎｏ．２６では、モデルＮｏ．４やＮｏ．２２と比べ、エネルギハーベスタとして利用した場合の発電量及び発生電圧が大幅に増加し、アクチュエータとして利用した場合の発生力が大幅に増加した。特に、磁石１０Ａ，１０Ｂの着磁方向が逆であるモデルＮｏ．８、Ｎｏ．２６においては顕著であった。
【0074】
ギャップｇ１〜ｇ３にばらつきを持たせたモデルＮｏ．９〜Ｎｏ，１８では、ばらつきが大きいほど、エネルギハーベスタとして利用した場合の発電量が低下し、アクチュエータとして利用した場合の発熱量が増加した。具体的には、ギャップｇ１〜ｇ３のばらつきを１０μｍ以下に抑えることにより、ばらつきのないモデルＮｏ．４を基準とした発電量の低下を５％未満とすることができるとともに、ばらつきのないモデルＮｏ．４を基準とした発熱量の増加を４％未満とすることができる。
【符号の説明】
【0075】
１〜４ トランスデューサ１０Ａ，１０Ｂ 磁石
１１，１２ 磁極面
２０ 配線
２０Ｒ，２０Ｌ コイルパターン
２１〜２９，２１Ａ〜２５Ａ，２１Ｂ〜２５Ｂ 配線部分
３０ 駆動回路
３１ 制御回路
３２ アンプ
４０ 整流変圧回路
ＣＮＴ 制御信号
Ｄ 駆動信号
Ｆ ローレンツ力
Ｉ１ 駆動電流
Ｉ２ 誘導電流
ＯＵＴ 出力電圧