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(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】P2024001628
(43)【公開日】2024-01-10
(54)【発明の名称】磁歪部品、発電素子、及び磁歪部品の製造方法
(51)【国際特許分類】
H02N 2/18 20060101AFI20231227BHJP
H10N 35/80 20230101ALI20231227BHJP
H10N 35/00 20230101ALI20231227BHJP
H10N 35/01 20230101ALI20231227BHJP
H10N 30/30 20230101ALI20231227BHJP
【ＦＩ】
H02N2/18
H01L41/06
H01L41/12
H01L41/47
H01L41/113
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022100404
(22)【出願日】2022-06-22
(71)【出願人】
【識別番号】000002130
【氏名又は名称】住友電気工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100100147
【弁理士】
【氏名又は名称】山野 宏
(74)【代理人】
【識別番号】100116366
【弁理士】
【氏名又は名称】二島 英明
(72)【発明者】
【氏名】藤本 誠
(72)【発明者】
【氏名】桑原 鉄也
(72)【発明者】
【氏名】東野 孝浩
(72)【発明者】
【氏名】池田 智昭
(72)【発明者】
【氏名】丹治 亮
(72)【発明者】
【氏名】細江 晃久
【テーマコード（参考）】
5H681
【Ｆターム（参考）】
5H681AA12
5H681BB08
5H681GG10
5H681GG31
(57)【要約】
【課題】発電素子の出力特性を高めることができ、さらには高温下での耐久性にも優れる磁歪部品を提供する。
【解決手段】磁気回路を形成するヨークと、前記ヨークの一部に接合された磁歪板と、を備え、前記ヨークは軟磁性材料からなる板材であり、前記磁歪板は磁歪材料から構成され、前記ヨークと前記磁歪板とが接合された部分に、前記軟磁性材料と前記磁歪材料との混合物から構成される中間層を有し、前記中間層の厚さは１０ｎｍ以上５０μｍ以下である、磁歪部品。
【選択図】図１
【解決手段】磁気回路を形成するヨークと、前記ヨークの一部に接合された磁歪板と、を備え、前記ヨークは軟磁性材料からなる板材であり、前記磁歪板は磁歪材料から構成され、前記ヨークと前記磁歪板とが接合された部分に、前記軟磁性材料と前記磁歪材料との混合物から構成される中間層を有し、前記中間層の厚さは１０ｎｍ以上５０μｍ以下である、磁歪部品。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
磁気回路を形成するヨークと、
前記ヨークの一部に接合された磁歪板と、を備え、
前記ヨークは軟磁性材料からなる板材であり、
前記磁歪板は磁歪材料から構成され、
前記ヨークと前記磁歪板とが接合された部分に、前記軟磁性材料と前記磁歪材料との混合物から構成される中間層を有し、
前記中間層の厚さは１０ｎｍ以上５０μｍ以下である、
磁歪部品。
前記ヨークの一部に接合された磁歪板と、を備え、
前記ヨークは軟磁性材料からなる板材であり、
前記磁歪板は磁歪材料から構成され、
前記ヨークと前記磁歪板とが接合された部分に、前記軟磁性材料と前記磁歪材料との混合物から構成される中間層を有し、
前記中間層の厚さは１０ｎｍ以上５０μｍ以下である、
磁歪部品。
【請求項2】
前記磁歪板が、前記ヨークの一部に埋め込まれた状態で接合されている、請求項１に記載の磁歪部品。
【請求項3】
前記磁歪板の厚さが、前記ヨークの厚さの５０％以下である、請求項２に記載の磁歪部品。
【請求項4】
前記ヨークと前記磁歪板とが接合された部分における空隙率が１０％以下である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の磁歪部品。
【請求項5】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の磁歪部品と、
前記ヨークに磁界を印加する磁石と、
前記ヨークの少なくとも一部に巻回されたコイルと、を備える、
発電素子。
前記ヨークに磁界を印加する磁石と、
前記ヨークの少なくとも一部に巻回されたコイルと、を備える、
発電素子。
【請求項6】
軟磁性材料からなるヨークの一部に磁歪材料からなる磁歪板を重ね合わせた状態で圧縮接合を行う工程を備える、
磁歪部品の製造方法。
磁歪部品の製造方法。
【請求項7】
前記圧縮接合を行う工程は、前記ヨークと前記磁歪板とを圧延加工によって接合する工程である、請求項６に記載の磁歪部品の製造方法。
【請求項8】
前記圧縮接合を行う工程は、前記ヨークと前記磁歪板とを５０％以上９５％以下の圧縮率となるように圧縮する、請求項６又は請求項７に記載の磁歪部品の製造方法。
【請求項9】
前記圧縮接合を行う工程と同時、又は前記圧縮接合を行う工程の後に、前記ヨークと前記磁歪板とを３００℃以上７５０℃以下に加熱する熱処理を行う、請求項６又は請求項７に記載の磁歪部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、磁歪部品、発電素子、及び磁歪部品の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
振動エネルギーを電気エネルギーに変換する振動発電素子の開発が行われている。特許文献１から特許文献４は、磁歪材料の逆磁歪効果を利用する発電素子を開示する。この発電素子は、例えば、磁歪部品と、磁石と、コイルとを備える。磁歪部品は、軟磁性材料からなるヨークと、磁歪材料からなる磁歪板とを備える。磁歪板はヨークの一部に接合されている。ヨークは磁石により磁気回路を形成する。ヨークに磁気回路が形成されることで、磁歪板が磁化されている。コイルは磁歪板に巻かれている。この発電素子が発電するメカニズムは、次のとおりである。ヨークに振動が加えられることで、磁歪板が変形する。磁歪板が変形すると、磁歪板に作用する応力によって磁歪板の磁束密度が変化する逆磁歪現象が起こる。この現象により磁歪板に流れる磁束が変化して、コイルに誘導起電力が発生する。コイルの誘導起電力により発電する。
【0003】
例えば、特許文献１には、半田接合、ろう付け、抵抗溶接、レーザ溶接、又は超音波接合などの方法により、磁歪板をヨークに接合することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】国際公開第２０１７／１８３３２５号
【特許文献2】国際公開第２０１３／０３８６８２号
【特許文献3】国際公開第２０１４／０２１１９７号
【特許文献4】特開２０１５－７０７４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
高い出力特性を有することはもちろん、高温環境下にさらされても、出力特性を維持できる発電素子が求められている。高温下でヨークと磁歪板との接合強度が低下すると、発電素子の出力特性が低下したり、磁歪板がヨークから剥離して発電できなくなったりするおそれがある。よって、高温下でもヨークと磁歪板との接合状態を良好に維持できるような、耐久性に優れる磁歪部品が求められている。
【0006】
本開示は、発電素子の出力特性を高めることができ、さらには高温下での耐久性にも優れる磁歪部品を提供することを目的の一つとする。本開示は、高い出力特性を有しながら、高温下での耐久性に優れる発電素子を提供することを別の目的の一つとする。本開示は、発電素子の出力特性を高めることができ、さらには高温下での耐久性にも優れる磁歪部品を製造できる磁歪部品の製造方法を提供することを別の目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本開示の磁歪部品は、
磁気回路を形成するヨークと、
前記ヨークの一部に接合された磁歪板と、を備え、
前記ヨークは軟磁性材料からなる板材であり、
前記磁歪板は磁歪材料から構成され、
前記ヨークと前記磁歪板とが接合された部分に、前記軟磁性材料と前記磁歪材料との混合物から構成される中間層を有し、
前記中間層の厚さは１０ｎｍ以上５０μｍ以下である。
磁気回路を形成するヨークと、
前記ヨークの一部に接合された磁歪板と、を備え、
前記ヨークは軟磁性材料からなる板材であり、
前記磁歪板は磁歪材料から構成され、
前記ヨークと前記磁歪板とが接合された部分に、前記軟磁性材料と前記磁歪材料との混合物から構成される中間層を有し、
前記中間層の厚さは１０ｎｍ以上５０μｍ以下である。
【0008】
本開示の発電素子は、
本開示の磁歪部品と、
前記ヨークに磁界を印加する磁石と、
前記ヨークの少なくとも一部に巻回されたコイルと、を備える。
本開示の磁歪部品と、
前記ヨークに磁界を印加する磁石と、
前記ヨークの少なくとも一部に巻回されたコイルと、を備える。
【0009】
本開示の磁歪部品の製造方法は、
軟磁性材料からなるヨークの一部に磁歪材料からなる磁歪板を重ね合わせた状態で圧縮接合を行う工程を備える。
軟磁性材料からなるヨークの一部に磁歪材料からなる磁歪板を重ね合わせた状態で圧縮接合を行う工程を備える。
【発明の効果】
【0010】
本開示の磁歪部品は、発電素子の出力特性を高めることができ、さらには高温下での耐久性にも優れる。本開示の発電素子は、高い出力特性を有しながら、高温下での耐久性に優れる。本開示の磁歪部品の製造方法は、発電素子の出力特性を高めることができ、さらには高温下での耐久性にも優れる磁歪部品を製造できる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【発明を実施するための形態】
【0012】
［本開示の実施形態の説明］
本発明者らは、ヨークと磁歪板とを圧縮接合することで、高温下でも高い接合強度を維持できることを見出した。この理由は、圧縮接合により、ヨークを構成する軟磁性材料と磁歪板を構成する磁歪材料とが相互拡散することで、ヨークと磁歪板とが接合された部分に軟磁性材料と磁歪材料との混合物からなる中間層が生成されたためと考えられる。更に、本発明者らは、この中間層の厚さを特定の範囲とすることで、高い出力特性が得られることを見出した。
本発明者らは、ヨークと磁歪板とを圧縮接合することで、高温下でも高い接合強度を維持できることを見出した。この理由は、圧縮接合により、ヨークを構成する軟磁性材料と磁歪板を構成する磁歪材料とが相互拡散することで、ヨークと磁歪板とが接合された部分に軟磁性材料と磁歪材料との混合物からなる中間層が生成されたためと考えられる。更に、本発明者らは、この中間層の厚さを特定の範囲とすることで、高い出力特性が得られることを見出した。
【0013】
本開示は上記の知見に基づくものである。最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
【0014】
（１）本開示の実施態様に係る磁歪部品は、
磁気回路を形成するヨークと、
前記ヨークの一部に接合された磁歪板と、を備え、
前記ヨークは軟磁性材料からなる板材であり、
前記磁歪板は磁歪材料から構成され、
前記ヨークと前記磁歪板とが接合された部分に、前記軟磁性材料と前記磁歪材料との混合物から構成される中間層を有し、
前記中間層の厚さは１０ｎｍ以上５０μｍ以下である。
磁気回路を形成するヨークと、
前記ヨークの一部に接合された磁歪板と、を備え、
前記ヨークは軟磁性材料からなる板材であり、
前記磁歪板は磁歪材料から構成され、
前記ヨークと前記磁歪板とが接合された部分に、前記軟磁性材料と前記磁歪材料との混合物から構成される中間層を有し、
前記中間層の厚さは１０ｎｍ以上５０μｍ以下である。
【0015】
本開示の磁歪部品は、中間層によってヨークと磁歪板との接合強度を高めることができながら、高温下でも高い接合強度を維持できる。また、詳細は後述するが、中間層の厚さが特定の範囲であることで、高い接合強度が得られると共に、発電素子の出力特性を高めることができる。したがって、本開示の磁歪部品は、発電素子の出力特性を高めることができ、さらには高温下での耐久性にも優れる。
【0016】
（２）上記（１）の磁歪部品において、
前記磁歪板が、前記ヨークの一部に埋め込まれた状態で接合されていてもよい。
前記磁歪板が、前記ヨークの一部に埋め込まれた状態で接合されていてもよい。
【0017】
上記（２）の構成によれば、ヨークと磁歪板とが接合された部分の厚さが薄くなる。
【0018】
（３）上記（２）の磁歪部品において、
前記磁歪板の厚さが、前記ヨークの厚さの５０％以下であってもよい。
前記磁歪板の厚さが、前記ヨークの厚さの５０％以下であってもよい。
【0019】
上記（３）の構成によれば、ヨークと磁歪板とが接合された部分が曲げ変形したとき、磁歪板に圧縮応力又は引張応力を一様に作用させ易い。
【0020】
（４）上記（１）から（３）のいずれか１つの磁歪部品において、
前記ヨークと前記磁歪板とが接合された部分における空隙率が１０％以下であってもよい。
前記ヨークと前記磁歪板とが接合された部分における空隙率が１０％以下であってもよい。
【0021】
上記（４）の構成によれば、ヨークと磁歪板との接合強度を高めることができる。
【0022】
（５）本開示の実施態様に係る発電素子は、
上記（１）から（４）のいずれか１つの磁歪部品と、
前記ヨークに磁界を印加する磁石と、
前記ヨークの少なくとも一部に巻回されたコイルと、を備える。
上記（１）から（４）のいずれか１つの磁歪部品と、
前記ヨークに磁界を印加する磁石と、
前記ヨークの少なくとも一部に巻回されたコイルと、を備える。
【0023】
本開示の発電素子は、上記磁歪部品を備えることで、高い出力特性を有しながら、高温下での耐久性に優れる。
【0024】
（６）本開示の実施態様に係る磁歪部品の製造方法は、
軟磁性材料からなるヨークの一部に磁歪材料からなる磁歪板を重ね合わせた状態で圧縮接合を行う工程を備える。
軟磁性材料からなるヨークの一部に磁歪材料からなる磁歪板を重ね合わせた状態で圧縮接合を行う工程を備える。
【0025】
本開示の磁歪部品の製造方法は、ヨークと磁歪板とを圧縮接合することで、ヨークと磁歪板とが接合された部分に中間層を形成することができる。この中間層は、ヨークと磁歪板との相互拡散により、軟磁性材料と磁歪材料との混合物から構成される。このような中間層を有する磁歪部品は、ヨークと磁歪板との接合強度を高めることができながら、高温下でも高い接合強度を維持できる。また、圧縮接合によって形成された中間層の厚さは、従来の半田接合、ろう付け、抵抗溶接、レーザ溶接、超音波接合などによって形成された中間層の厚さよりも小さくすることが可能である。中間層の厚さが薄いことで、発電素子の出力特性を高めることができる。したがって、本開示の磁歪部品の製造方法は、発電素子の出力特性を高めることができ、さらには高温下での耐久性にも優れる磁歪部品を製造できる。
【0026】
（７）上記（６）の磁歪部品の製造方法において、
前記圧縮接合を行う工程は、前記ヨークと前記磁歪板とを圧延加工によって接合する工程であってもよい。
前記圧縮接合を行う工程は、前記ヨークと前記磁歪板とを圧延加工によって接合する工程であってもよい。
【0027】
上記（７）の構成によれば、発電素子の出力特性を高めることができ、さらには高温下での耐久性にも優れる磁歪部品を製造できる。
【0028】
（８）上記（６）又は（７）の磁歪部品の製造方法において、
前記圧縮接合を行う工程は、前記ヨークと前記磁歪板とを５０％以上９５％以下の圧縮率となるように圧縮してもよい。
前記圧縮接合を行う工程は、前記ヨークと前記磁歪板とを５０％以上９５％以下の圧縮率となるように圧縮してもよい。
【0029】
圧縮率が５０％以上であることで、高い接合強度が十分に得られ易い。圧縮率が９５％以下であることで、圧縮時にヨーク及び磁歪板のいずれか一方が割れたりすることを抑制し易い。
【0030】
（９）上記（６）から（８）のいずれか１つの磁歪部品の製造方法において、
前記圧縮接合を行う工程と同時、又は前記圧縮接合を行う工程の後に、前記ヨークと前記磁歪板とを３００℃以上７５０℃以下に加熱する熱処理を行ってもよい。
前記圧縮接合を行う工程と同時、又は前記圧縮接合を行う工程の後に、前記ヨークと前記磁歪板とを３００℃以上７５０℃以下に加熱する熱処理を行ってもよい。
【0031】
上記熱処理を行うことで、上記中間層の厚さを所定の厚さに制御し易い。
【0032】
［本開示の実施形態の詳細］
以下、図面を参照して、本開示の実施形態を具体的に説明する。図中、同一符号は同一名称物を示す。本発明は、実施形態の例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
以下、図面を参照して、本開示の実施形態を具体的に説明する。図中、同一符号は同一名称物を示す。本発明は、実施形態の例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【0033】
［実施形態１］
＜磁歪部品＞
図１から図４を参照して、実施形態１に係る磁歪部品１を説明する。磁歪部品１は、後述する図６に示す発電素子１０の構成部品である。磁歪部品１は、図１に示すように、ヨーク２と、ヨーク２の一部に接合された磁歪板３とを備える。実施形態１の磁歪部品１の特徴の一つは、図４に示すように、ヨーク２と磁歪板３とが接合された部分に、後述する中間層３０を有すると共に、中間層３０の厚さが特定の範囲である点にある。磁歪部品１は、中間層３０を備えることで、発電素子１０の出力特性を高めることができ、さらには高温下での耐久性にも優れる。
＜磁歪部品＞
図１から図４を参照して、実施形態１に係る磁歪部品１を説明する。磁歪部品１は、後述する図６に示す発電素子１０の構成部品である。磁歪部品１は、図１に示すように、ヨーク２と、ヨーク２の一部に接合された磁歪板３とを備える。実施形態１の磁歪部品１の特徴の一つは、図４に示すように、ヨーク２と磁歪板３とが接合された部分に、後述する中間層３０を有すると共に、中間層３０の厚さが特定の範囲である点にある。磁歪部品１は、中間層３０を備えることで、発電素子１０の出力特性を高めることができ、さらには高温下での耐久性にも優れる。
【0034】
（ヨーク）
ヨーク２は、磁気回路を形成する部材である。ヨーク２は軟磁性材料からなる板材である。軟磁性材料は、例えば、鉄、炭素鋼、フェライト系ステンレス鋼、ケイ素鉄、センダスト、又はパーマロイのいずれかである。炭素鋼は、例えば、ＳＰＣ材、ＳＳ材、ＳＣ材、又はＳＫ材のいずれかである。フェライト系ステンレス鋼は、例えば、ＳＵＳ４３０である。
ヨーク２は、磁気回路を形成する部材である。ヨーク２は軟磁性材料からなる板材である。軟磁性材料は、例えば、鉄、炭素鋼、フェライト系ステンレス鋼、ケイ素鉄、センダスト、又はパーマロイのいずれかである。炭素鋼は、例えば、ＳＰＣ材、ＳＳ材、ＳＣ材、又はＳＫ材のいずれかである。フェライト系ステンレス鋼は、例えば、ＳＵＳ４３０である。
【0035】
ヨーク２は、ヨーク２の厚さ方向に曲げ変形が可能な可撓性を有する。厚さ方向は、図１における上下方向である。ヨーク２は、弾性変形が可能な厚さを有していればよい。ヨーク２の厚さは、例えば０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下、更に０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下である。ヨーク２は、磁歪板３を支持できる幅を有していればよい。ヨーク２の幅は、例えば１ｍｍ以上２０ｍｍ以下、更に３ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。
【0036】
本実施形態のヨーク２の形状は、図１に示すように、略Ｕ字状である。ヨーク２は、第一の片２１と、第二の片２２と、第一の片２１と第二の片２２とをつなぐ屈曲部２３とを有する。第一の片２１と第二の片２２とは、互いに間隔をあけて向かい合うように配置されている。本実施形態では、第一の片２１と第二の片２２とが上下方向に重なる。第二の片２２が第一の片２１の上方に配置されている。第一の片２１において、第二の片２２と向かい合う面を上面とし、この上面とは反対側の面を下面とする。第二の片２２において、第一の片２１と向かい合う面を下面とし、この下面とは反対側の面を上面とする。
【0037】
第一の片２１は、後述する図６に示すように振動源６に固定され、振動源６から振動が入力される。第二の片２２は、第一の片２１に屈曲部２３を介して片持ち支持されており、第一の片２１から振動が伝達される。第二の片２２は、上記振動によって、厚さ方向に曲げ変形が生じる。本実施形態では、図１に示すように、第二の片２２の上面に磁歪板３が接合される。以下、ヨーク２における磁歪板３が接合された部分を磁性部２０と呼ぶ場合がある。磁性部２０は、ヨーク２の一部によって構成されている。
【0038】
本実施形態では、ヨーク２は１枚の板材を曲げ加工によってＵ字状に成形したものである。図１に示すように、第一の片２１、第二の片２２、及び屈曲部２３のそれぞれの厚さは同じである。図２に示すように、第一の片２１、第二の片２２、及び屈曲部２３のそれぞれの幅は同じである。第一の片２１、第二の片２２、及び屈曲部２３のそれぞれの厚さは異なってもよい。例えば、第二の片２２の厚さが、第一の片２１及び屈曲部２３のそれぞれの厚さよりも小さくてもよい。また、第一の片２１、第二の片２２、及び屈曲部２３のそれぞれの幅は異なってもよい。例えば、第二の片２２の幅が、第一の片２１及び屈曲部２３のそれぞれの幅よりも小さくてもよい。
【0039】
ヨーク２に磁気回路が形成された状態において、第二の片２２、即ち磁性部２０は磁気飽和することが好ましい。そのため、第二の片２２の断面積は、第一の片２１及び屈曲部２３のそれぞれの断面積よりも小さくてもよい。ここでいう断面積とは、ヨーク２の長手方向に直交する横断面における面積である。例えば、第二の片２２の断面積が、第二の片２２以外の部分の断面積の３０％以上９０％以下、更に５０％以上６０％以下でもよい。第二の片２２以外の部分は、例えば、第一の片２１である。これにより、ヨーク２のうち、磁性部２０以外の部分は磁気飽和させずに、磁性部２０のみを磁気飽和させることができる。図３に示すように、第二の片２２における磁性部２０の幅が、第一の片２１、屈曲部２３、及び第二の片２２における屈曲部２３と磁性部２０との間の部分のそれぞれの幅よりも小さくてもよい。このような構成とする理由は後述する。
【0040】
（磁歪板）
磁歪板３は、ヨーク２の一部に接合されている。本実施形態では、磁歪板３は、第二の片２２の上面の一部に接合されている。磁歪板３は、第二の片２２の上面及び下面の少なくとも一方に接合されていればよい。
磁歪板３は、ヨーク２の一部に接合されている。本実施形態では、磁歪板３は、第二の片２２の上面の一部に接合されている。磁歪板３は、第二の片２２の上面及び下面の少なくとも一方に接合されていればよい。
【0041】
磁歪板３は、ヨーク２に磁気回路が形成されることで、磁化される。磁歪板３は磁歪材料から構成される。磁歪材料は、例えば、鉄－ガリウム系合金、鉄－コバルト系合金、鉄－アルミニウム系合金、ケイ素鉄、又は鉄－ジスプロシウム－テルビウム系合金のいずれかである。鉄－コバルト系合金は、具体的には、パーメンジュール、バイカロイ、又はクロムを含むバイカロイなどである。バイカロイは、鉄－コバルト－バナジウム合金である。
【0042】
磁歪板３は、ヨーク２に追従して曲げ変形することが可能である。つまり、第二の片２２が曲げ変形すると、磁歪板３も曲げ変形する。磁歪板３は、曲げ変形に伴う圧縮応力又は引張応力が作用することで磁束密度が変化する逆磁歪効果を有する。本実施形態のように、磁歪板３が第二の片２２の上面に接合されている場合、第二の片２２が下方向に曲がると、磁歪板３の全体に引張応力が作用する。一方で、第二の片２２が上方向に曲がると、磁歪板３の全体に圧縮応力が作用する。第二の片２２が下方向に曲がるとは、第二の片２２の自由端が下方向に変位して、第二の片２２の下面が曲げの内側、上面が曲げの外側となるように湾曲することを意味する。第二の片２２が上方向に曲がるとは、第二の片２２の自由端が上方向に変位して、第二の片２２の上面が曲げの内側、下面が曲げの外側となるように湾曲することを意味する。磁歪板３に引張応力が作用すると、磁歪板３の磁束密度が増加する。一方で、磁歪板３に圧縮応力が作用すると、磁歪板３の磁束密度が減少する。つまり、第一の片２１に入力された振動に応じて第二の片２２に厚さ方向の曲げ変形が繰り返し生じると、磁歪板３に引張応力と圧縮応力とが繰り返し作用する。これにより、磁化された磁歪板３に流れる磁束が周期的に変化する。
【0043】
磁歪板３は、磁歪板３の厚さ方向に曲げ変形が可能な厚さを有する。磁歪板３の厚さは、例えば０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下、更に０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下である。磁歪板３の幅は、例えば１ｍｍ以上２０ｍｍ以下、更に３ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。磁歪板３の幅は、第二の片２２の幅、即ち磁性部２０の幅と同じでもよいし、磁性部２０の幅よりも小さくてもよい。本実施形態では、図２に示すように、磁歪板３の幅が第二の片２２の幅と同じである。
【0044】
磁歪板３は、磁化されたときに磁気飽和しない状態に維持されることが好ましい。具体的には、磁歪板３が磁気飽和しないような断面積を有するとよい。磁化された状態での磁歪板３の磁束密度は、例えば磁歪板３の飽和磁束密度の５０％程度、具体的には４５％以上５５％以下であればよい。例えば、鉄－ガリウム系合金からなる磁歪板３の場合、飽和磁束密度は１．５Ｔ程度であるので、磁歪板３の磁束密度は０．７Ｔ以上０．８Ｔ以下であればよい。
【0045】
ヨーク２と磁歪板３とは、圧縮接合によって接合されている。ヨーク２と磁歪板３とが圧縮接合されていることで、図４に示すように、ヨーク２の磁歪板３との接合界面に中間層３０が形成されている。
【0046】
（中間層）
中間層３０は、ヨーク２と磁歪板３とが接合された部分に存在する。本実施形態では、第二の片２２、即ち磁性部２０と磁歪板３とが接合された部分に中間層３０が存在する。中間層３０は、軟磁性材料と磁歪材料との混合物から構成される。中間層３０は、ヨーク２と磁歪板３との相互拡散によって生成された層である。中間層３０は、軟磁性材料に含まれる元素と、磁歪材料に含まれる元素とを含む。これらの元素は、中間層３０の厚さ方向に濃度勾配を有する。例えば、磁歪材料に含まれる特有の元素は、磁歪板３から磁性部２０に向かって徐々に減少する濃度勾配を有する。上記特有の元素は、軟磁性材料には含まれていない元素であることが好ましい。上記特有の元素は、磁歪材料が鉄－ガリウム系合金であれば、ガリウムである。磁歪材料が鉄－コバルト系合金であれば、上記特有の元素はコバルトである。磁歪材料が鉄－ジスプロシウム－テルビウム系合金であれば、上記特有の元素はジスプロシウム又はテルビウムである。ヨーク２と磁歪板３との間に中間層３０が存在することで、ヨーク２と磁歪板３との接合強度を高めることができ、高温下でも高い接合強度を維持できる。
中間層３０は、ヨーク２と磁歪板３とが接合された部分に存在する。本実施形態では、第二の片２２、即ち磁性部２０と磁歪板３とが接合された部分に中間層３０が存在する。中間層３０は、軟磁性材料と磁歪材料との混合物から構成される。中間層３０は、ヨーク２と磁歪板３との相互拡散によって生成された層である。中間層３０は、軟磁性材料に含まれる元素と、磁歪材料に含まれる元素とを含む。これらの元素は、中間層３０の厚さ方向に濃度勾配を有する。例えば、磁歪材料に含まれる特有の元素は、磁歪板３から磁性部２０に向かって徐々に減少する濃度勾配を有する。上記特有の元素は、軟磁性材料には含まれていない元素であることが好ましい。上記特有の元素は、磁歪材料が鉄－ガリウム系合金であれば、ガリウムである。磁歪材料が鉄－コバルト系合金であれば、上記特有の元素はコバルトである。磁歪材料が鉄－ジスプロシウム－テルビウム系合金であれば、上記特有の元素はジスプロシウム又はテルビウムである。ヨーク２と磁歪板３との間に中間層３０が存在することで、ヨーク２と磁歪板３との接合強度を高めることができ、高温下でも高い接合強度を維持できる。
【0047】
中間層３０の厚さは、１０ｎｍ以上５０μｍ以下である。中間層３０の厚さが１０ｎｍ以上であることで、高い接合強度が十分に得られ易い。中間層３０が厚いほど、ヨーク２と磁歪板３とが接合された部分において、上記相互拡散によって磁歪材料が中間層３０の生成に消費される。その結果、磁歪板３における逆磁歪効果による磁束の変化が小さくなる。中間層３０の厚さが５０μｍ以下であることで、磁歪板３での磁束の変化の減少を抑制できる。中間層３０の厚さは、更に５０ｎｍ以上１０μｍ以下でもよい。
【0048】
中間層３０の厚さは、次のようにして測定できる。ヨーク２と磁歪板３とが接合された部分の断面をとり、その断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）又は透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察する。上記断面は、ヨーク２の長手方向に沿って厚さ方向に切断した縦断面である。エネルギー分散型蛍光Ｘ線分析装置（ＥＤＸ）を用いて、縦断面を磁歪板３からヨーク２に向かって厚さ方向にライン分析を行い、元素の濃度プロファイルを測定する。取得した濃度プロファイルから磁歪板３に含まれる特有の元素の濃度プロファイルを選択する。上記特有の元素が濃度勾配を有する領域の厚さを測定する。この厚さを中間層３０の厚さとみなす。
【0049】
（空隙率）
中間層３０は、ヨーク２と磁歪板３とが接合された部分において、ヨーク２と磁歪板３との間の全面にわたって形成されていることが好ましい。つまり、ヨーク２と磁歪板３との接合界面において空隙が少ないことが好ましい。ヨーク２と磁歪板３とが接合された部分における空隙率は１０％以下であってもよい。空隙率が１０％以下であることで、高い接合強度が十分に得られ易い。空隙率は、更に０．００１％以上５％以下でもよい。
中間層３０は、ヨーク２と磁歪板３とが接合された部分において、ヨーク２と磁歪板３との間の全面にわたって形成されていることが好ましい。つまり、ヨーク２と磁歪板３との接合界面において空隙が少ないことが好ましい。ヨーク２と磁歪板３とが接合された部分における空隙率は１０％以下であってもよい。空隙率が１０％以下であることで、高い接合強度が十分に得られ易い。空隙率は、更に０．００１％以上５％以下でもよい。
【0050】
空隙率は、次のようにして測定できる。ヨーク２と磁歪板３とが接合された部分の断面をとり、その断面をＳＥＭで観察する。上記断面は、ヨーク２の幅方向に沿って厚さ方向に切断した横断面である。ヨーク２と磁歪板３との間に厚さ方向に１μｍ以上の隙間が存在する部分を空隙とみなす。ヨーク２と磁歪板３との間に存在する全ての空隙の幅方向の長さを測定する。磁歪板３の幅の全長にわたって空隙の長さを測定し、全ての空隙の合計長さを求める。磁歪板３の幅の全長に対する空隙の合計長さの比率を空隙率とする。
【0051】
［実施形態２］
図５を参照して、実施形態２に係る磁歪部品１を説明する。実施形態２の磁歪部品１は、磁歪板３がヨーク２の一部に埋め込まれた状態で接合されている点が、上述した図１に示す実施形態１の磁歪部品１と相違する。以下、実施形態１との相違点を中心に説明する。実施形態１と共通する構成についてはその説明を省略する。
図５を参照して、実施形態２に係る磁歪部品１を説明する。実施形態２の磁歪部品１は、磁歪板３がヨーク２の一部に埋め込まれた状態で接合されている点が、上述した図１に示す実施形態１の磁歪部品１と相違する。以下、実施形態１との相違点を中心に説明する。実施形態１と共通する構成についてはその説明を省略する。
【0052】
磁歪板３の一部がヨーク２に埋め込まれていてもよいし、磁歪板３の全部がヨーク２に埋め込まれていてもよい。磁歪板３が埋め込まれている場合、磁歪板３が埋め込まれていない場合に比べて、ヨーク２と磁歪板３とが接合された部分の厚さが薄くなる。実施形態２では、磁歪板３が第二の片２２の上面の一部に埋め込まれた状態で接合されている。また、図５に示すように、磁歪板３の上面が露出するように第二の片２２に磁歪板３の全部が埋め込まれている。そのため、磁歪板３の上面と第二の片２２の上面とは面一になっている。
【0053】
磁歪板３の厚さは、ヨーク２の厚さ、即ち第二の片２２の厚さの５０％以下であってもよい。実施形態２では、第二の片２２の厚さは、磁歪板３の厚さと磁性部２０の厚さとの合計に等しい。第二の片２２が曲げ変形したとき、曲げの中立線の位置は第二の片２２の厚さの中心線の近傍に位置する。曲げの中立線とは、第二の片２２が曲げ変形したときに圧縮応力が生じる部分と引張応力が生じる部分との境界である。磁歪板３の厚さが第二の片２２の厚さの５０％以下であることで、第二の片２２が曲げ変形したときに、磁歪板３に圧縮応力又は引張応力を一様に作用させ易い。つまり、磁歪板３の厚さは、例えば０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下であって、かつ、第二の片２２の厚さの５０％以下であってもよい。磁歪板３の厚さは、更に、第二の片２２の厚さの４０％以下でもよい。
【0054】
［実施形態３］
図６を参照して、実施形態３に係る発電素子１０を説明する。発電素子１０は、磁歪部品１と、磁石４と、コイル５とを備える。図６に示す磁歪部品１は、上述した図１に示す実施形態１の磁歪部品１である。磁歪部品１は、上述した図５に示す実施形態２の磁歪部品１であってもよい。
図６を参照して、実施形態３に係る発電素子１０を説明する。発電素子１０は、磁歪部品１と、磁石４と、コイル５とを備える。図６に示す磁歪部品１は、上述した図１に示す実施形態１の磁歪部品１である。磁歪部品１は、上述した図５に示す実施形態２の磁歪部品１であってもよい。
【0055】
（磁石）
磁石４は、ヨーク２に磁界を印加する。本実施形態では、第一の片２１の端部に磁石４が取り付けられている。磁石４の取付箇所は、第一の片２１の上面でもよいし、下面でもよい。本実施形態では、第一の片２１の上面に磁石４が取り付けられている。磁石４は、第二の片２２の端部と間隔をあけて向かい合うように配置されている。磁石４と第二の片２２との間に空隙を設けることで、第二の片２２が曲げ変形した際に第二の片２２が磁石４に接触することを回避できる。磁石４から発生する磁界によって、ヨーク２に磁気回路が形成される。磁気回路に流れる磁束は、磁石４から第一の片２１、屈曲部２３、第二の片２２を通って、磁石４に戻る。磁歪板３が接合された部分では、磁性部２０と磁歪板３に並列に磁束が流れる。磁性部２０と磁歪板３とがそれぞれ磁化される。
磁石４は、ヨーク２に磁界を印加する。本実施形態では、第一の片２１の端部に磁石４が取り付けられている。磁石４の取付箇所は、第一の片２１の上面でもよいし、下面でもよい。本実施形態では、第一の片２１の上面に磁石４が取り付けられている。磁石４は、第二の片２２の端部と間隔をあけて向かい合うように配置されている。磁石４と第二の片２２との間に空隙を設けることで、第二の片２２が曲げ変形した際に第二の片２２が磁石４に接触することを回避できる。磁石４から発生する磁界によって、ヨーク２に磁気回路が形成される。磁気回路に流れる磁束は、磁石４から第一の片２１、屈曲部２３、第二の片２２を通って、磁石４に戻る。磁歪板３が接合された部分では、磁性部２０と磁歪板３に並列に磁束が流れる。磁性部２０と磁歪板３とがそれぞれ磁化される。
【0056】
磁性部２０と磁歪板３とが磁化した際、磁歪板３は磁気飽和しておらず、磁性部２０は磁気飽和していることが好ましい。磁歪板３が磁気飽和していないことで、逆磁歪効果による磁歪板３での磁束密度の変化が大きくなる。磁性部２０が磁気飽和していることで、磁歪板３を流れた磁束が磁性部２０に流れる磁気回路が形成され難くなる。そのため、磁歪板３に流れる磁束の変化が大きくなる。逆に、磁性部２０が磁気飽和していない状態では、磁歪板３を流れた磁束が磁性部２０に流れる磁気回路が形成され、磁歪板３に流れる磁束の変化が小さくなる。
【0057】
磁石４は、永久磁石でもよいし、電磁石でもよい。永久磁石は、例えば、ネオジム磁石、アルニコ磁石、フェライト磁石、又はサマリウムコバルト磁石のいずれかである。ネオジム磁石は強い磁力を有しているので、ヨーク２に強い磁界を印加できる。永久磁石は、電磁石のように電流を流す必要がないので、電源が不要である。電磁石は、電流の大きさを調整することで、ヨーク２に印加する磁界の強さを調整できる。
【0058】
（コイル）
コイル５は、ヨーク２の少なくとも一部に巻回されている。本実施形態では、コイル５は、磁歪板３と磁性部２０に巻回されている。即ち、ヨーク２と磁歪板３とが接合された部分の周囲にコイル５が配置されている。コイル５には、磁歪板３に流れる磁束が変化することによって、誘導起電力が発生する。本実施形態とは異なり、コイル５は、ヨーク２のうち、磁歪板３が接合されていない部分に巻回されていてもよい。コイル５が磁歪板３からずれて配置されていても、磁歪板３の磁束密度が変化することで、ヨーク２に流れる磁束が変化する。コイル５の巻き数は、例えば１０００ターン以上４０００ターン以下である。コイル５を構成する巻線の直径は、例えば０．０３ｍｍ以上０．１０ｍｍ以下である。
コイル５は、ヨーク２の少なくとも一部に巻回されている。本実施形態では、コイル５は、磁歪板３と磁性部２０に巻回されている。即ち、ヨーク２と磁歪板３とが接合された部分の周囲にコイル５が配置されている。コイル５には、磁歪板３に流れる磁束が変化することによって、誘導起電力が発生する。本実施形態とは異なり、コイル５は、ヨーク２のうち、磁歪板３が接合されていない部分に巻回されていてもよい。コイル５が磁歪板３からずれて配置されていても、磁歪板３の磁束密度が変化することで、ヨーク２に流れる磁束が変化する。コイル５の巻き数は、例えば１０００ターン以上４０００ターン以下である。コイル５を構成する巻線の直径は、例えば０．０３ｍｍ以上０．１０ｍｍ以下である。
【0059】
（振動源）
発電素子１０は振動源６に取り付けられる。振動源６はヨーク２に上下方向の振動を加える。本実施形態では、第一の片２１の端部が振動源６に固定されている。振動源６から第一の片２１に入力された振動は、第二の片２２に曲げ変形を生じさせる。第二の片２２の曲げ変形に伴い、磁歪板３に圧縮応力又は引張応力が作用することで、逆磁歪効果により磁歪板３での磁束密度が変化する。振動源６は、例えば、輸送機械、原動機、産業機械、又は構造物のいずれかである。その他、振動源６は、人の動作によって振動が発生する物体でもよい。このような物体は、例えば、人が開閉するドア、又は人が操作するスイッチである。輸送機械は、例えば、自動車、航空機、又は鉄道車両のいずれかである。原動機は、エンジン、又はモータである。産業機械は、例えば、発電機、又はタービンである。構造物は、例えば、ビル、又は橋梁である。
発電素子１０は振動源６に取り付けられる。振動源６はヨーク２に上下方向の振動を加える。本実施形態では、第一の片２１の端部が振動源６に固定されている。振動源６から第一の片２１に入力された振動は、第二の片２２に曲げ変形を生じさせる。第二の片２２の曲げ変形に伴い、磁歪板３に圧縮応力又は引張応力が作用することで、逆磁歪効果により磁歪板３での磁束密度が変化する。振動源６は、例えば、輸送機械、原動機、産業機械、又は構造物のいずれかである。その他、振動源６は、人の動作によって振動が発生する物体でもよい。このような物体は、例えば、人が開閉するドア、又は人が操作するスイッチである。輸送機械は、例えば、自動車、航空機、又は鉄道車両のいずれかである。原動機は、エンジン、又はモータである。産業機械は、例えば、発電機、又はタービンである。構造物は、例えば、ビル、又は橋梁である。
【0060】
（錘）
本実施形態では、第二の片２２の端部に錘７が設けられている。錘７は、第二の片２２の共振周波数を調整するためのものである。錘７は必要に応じて取り付ければよい。錘７の材質及び重さは適宜選択すればよい。錘７の材質は、磁性材料でも非磁性材料でもよいが、非磁性材料の方が好ましい。錘７が非磁性材料であれば、ヨーク２に形成される磁気回路に影響を与えない。
本実施形態では、第二の片２２の端部に錘７が設けられている。錘７は、第二の片２２の共振周波数を調整するためのものである。錘７は必要に応じて取り付ければよい。錘７の材質及び重さは適宜選択すればよい。錘７の材質は、磁性材料でも非磁性材料でもよいが、非磁性材料の方が好ましい。錘７が非磁性材料であれば、ヨーク２に形成される磁気回路に影響を与えない。
【0061】
発電素子１０が発電するメカニズムについて説明する。振動源６から第一の片２１に振動が入力される。この振動に応じて第二の片２２に曲げ変形が繰り返し生じることで、磁歪板３に引張応力と圧縮応力とが繰り返し作用する。磁歪板３に引張応力又は圧縮応力が作用することで、逆磁歪効果により磁歪板３の磁束密度が変化する。磁歪板３に流れる磁束が周期的に変化することで、コイル５に誘導起電力が発生する。発電素子１０は、コイル５の誘導起電力により発電する。
【0062】
＜磁歪部品の製造方法＞
図７を参照して、実施形態に係る磁歪部品の製造方法を説明する。磁歪部品の製造方法は、以下の第一工程を備える。
第一工程は、ヨーク２の一部に磁歪板３を重ね合わせた状態で圧縮接合を行う工程である。
図７を参照して、実施形態に係る磁歪部品の製造方法を説明する。磁歪部品の製造方法は、以下の第一工程を備える。
第一工程は、ヨーク２の一部に磁歪板３を重ね合わせた状態で圧縮接合を行う工程である。
【0063】
（第一工程）
第一工程では、まず、図７の上図に示すように、ヨーク２の一部に磁歪板３を重ね合わせる。ヨーク２は、軟磁性材料からなる板材である。磁歪板３は、磁歪材料から構成される。ヨーク２の縦方向ＭＤの長さと、磁歪板３の縦方向ＭＤの長さとは等しい。磁歪板３の横方向ＴＤの長さは、ヨーク２の横方向ＴＤの長さよりも短い。ヨーク２の一部に磁歪板３を重ね合わせた後、圧縮接合を行う。
第一工程では、まず、図７の上図に示すように、ヨーク２の一部に磁歪板３を重ね合わせる。ヨーク２は、軟磁性材料からなる板材である。磁歪板３は、磁歪材料から構成される。ヨーク２の縦方向ＭＤの長さと、磁歪板３の縦方向ＭＤの長さとは等しい。磁歪板３の横方向ＴＤの長さは、ヨーク２の横方向ＴＤの長さよりも短い。ヨーク２の一部に磁歪板３を重ね合わせた後、圧縮接合を行う。
【0064】
圧縮接合は、図７の中図に示すように、ヨーク２と磁歪板３とを重ね合わせた方向に圧縮することにより接合する方法である。圧縮接合は、例えば、圧延加工、又はプレス加工を利用できる。圧延加工又はプレス加工は複数回行ってもよい。一般に、磁歪材料からなる磁歪板３の方が軟磁性材料からなるヨーク２よりも硬いため、図７の中図に示すように、磁歪板３がヨーク２に埋め込まれた状態になる。図７の中図では、磁歪板３の全部がヨーク２に埋め込まれた状態を示している。本実施形態では、ヨーク２と磁歪板３とを重ね合わせた状態で縦方向ＭＤに圧延加工を行うことによって、ヨーク２と磁歪板３とを接合する。
【0065】
ヨーク２と磁歪板３とを圧縮接合することで、ヨーク２と磁歪板３との相互拡散によって上述した中間層３０（図１、図５参照）を形成することが可能である。圧縮接合の条件は、ヨーク２と磁歪板３とを例えば５０％以上９５％以下の圧縮率となるように圧縮することが好ましい。圧縮率は、圧縮前の厚さから圧縮後の厚さを引いた値を圧縮前の厚さで割った値をパーセントで表したものである。圧縮前の厚さは、ヨーク２の厚さと磁歪板３の厚さとの合計に相当する。圧縮後の厚さは、ヨーク２と磁歪板３とが接合された部分の厚さ、即ち磁性部２０（図１、図５参照）の厚さと磁歪板３の厚さとの合計に相当する。圧縮率が高いほど、上記中間層３０が生成され易い。また、ヨーク２と磁歪板３とを密着させることができるので、ヨーク２と磁歪板３との接合界面に空隙が形成され難くなる。圧縮率が５０％以上であることで、中間層３０の厚さを１０ｎｍ以上とすることができ、高い接合強度が十分に得られ易い。また、圧縮率が５０％以上であれば、ヨーク２と磁歪板３とが接合された部分における空隙率を１０％以下とすることができ、高い接合強度が十分に得られ易い。一方で、圧縮率が９５％以下であることで、圧縮時にヨーク２及び磁歪板３のいずれか一方が割れたりすることなく、ヨーク２と磁歪板３とを所望の厚さに圧縮し易い。圧縮率を調整することで、磁歪板３の厚さ方向の一部がヨーク２に埋め込まれ、残部がヨーク２の上面から突出した磁歪部品１を製造することも可能である。圧縮率は、更に６０％以上８０％以下でもよい。
【0066】
更に、ヨーク２と磁歪板３とを圧縮接合する際、又はヨーク２と磁歪板３とを圧縮接合した後に、ヨーク２と磁歪板３とを３００℃以上７５０℃以下に加熱する熱処理を行ってもよい。ヨーク２と磁歪板３とを加熱しながら圧縮する、又は圧縮接合されたヨーク２と磁歪板３とを加熱することで、上記中間層３０が生成され易くなる。例えば、ヨーク２と磁歪板３とを加熱せずに圧縮した後に熱処理を行ってもよい。ヨーク２と磁歪板３とを加熱しながら圧縮した後、更にヨーク２と磁歪板３とを加熱せずに圧縮してもよい。ヨーク２と磁歪板３とを加熱せずに圧縮した後、ヨーク２と磁歪板３とを加熱しながら圧縮してもよい。加熱温度が３００℃以上７５０℃以下であることで、中間層３０の厚さを１０ｎｍ以上５０μｍ以下に制御し易い。加熱温度は、更に３５０°以上４５０℃以下でもよい。この熱処理は行わなくてもよい。
【0067】
（第二工程）
第一工程の後、ヨーク２と磁歪板３とを圧縮接合した複合材１００を所望の形状に加工する第二工程の備えてもよい。例えば、図７の下図に示すように、複合材１００を縦方向ＭＤに間隔をあけて横方向ＴＤに切断して、複数の磁歪部品１に分割する。図７の下図の破線は切断位置を示す。磁歪部品１において、ヨーク２及び磁歪板３のそれぞれの長さは、横方向ＴＤに沿う長さに相当する。ヨーク２及び磁歪板３のそれぞれの幅は、縦方向ＭＤに沿う長さに相当する。図５に示すように、磁歪部品１をＵ字状に曲げ加工する。
第一工程の後、ヨーク２と磁歪板３とを圧縮接合した複合材１００を所望の形状に加工する第二工程の備えてもよい。例えば、図７の下図に示すように、複合材１００を縦方向ＭＤに間隔をあけて横方向ＴＤに切断して、複数の磁歪部品１に分割する。図７の下図の破線は切断位置を示す。磁歪部品１において、ヨーク２及び磁歪板３のそれぞれの長さは、横方向ＴＤに沿う長さに相当する。ヨーク２及び磁歪板３のそれぞれの幅は、縦方向ＭＤに沿う長さに相当する。図５に示すように、磁歪部品１をＵ字状に曲げ加工する。
【0068】
［試験例１］
磁歪部品の試料を作製した。表１に示す試料Ｎｏ．１から試料Ｎｏ．１２は、上述した磁歪部品の製造方法によって作製された。用意したヨークの材料及び厚さを表１に示す。用意した磁歪板の材料及び厚さを表１に示す。試料Ｎｏ．１から試料Ｎｏ．１２では、ヨークと磁歪板との接合は、ヨークと磁歪板とを圧延加工によって接合する圧延接合により行われた。試料Ｎｏ．１から試料Ｎｏ．１２では、圧延加工はヨークと磁歪板とを加熱せずに行われた。試料Ｎｏ．２から試料Ｎｏ．１２では、圧延加工後、加熱が行われた。圧延したときの圧下率、即ち圧縮率及び加熱温度を表１に示す。試料Ｎｏ．１では熱処理が行われていないので、加熱温度の欄に「－」と記載した。
磁歪部品の試料を作製した。表１に示す試料Ｎｏ．１から試料Ｎｏ．１２は、上述した磁歪部品の製造方法によって作製された。用意したヨークの材料及び厚さを表１に示す。用意した磁歪板の材料及び厚さを表１に示す。試料Ｎｏ．１から試料Ｎｏ．１２では、ヨークと磁歪板との接合は、ヨークと磁歪板とを圧延加工によって接合する圧延接合により行われた。試料Ｎｏ．１から試料Ｎｏ．１２では、圧延加工はヨークと磁歪板とを加熱せずに行われた。試料Ｎｏ．２から試料Ｎｏ．１２では、圧延加工後、加熱が行われた。圧延したときの圧下率、即ち圧縮率及び加熱温度を表１に示す。試料Ｎｏ．１では熱処理が行われていないので、加熱温度の欄に「－」と記載した。
【0069】
試料Ｎｏ．１から試料Ｎｏ．１２の磁歪部品は、図７の下図を参照して説明したように、ヨークと磁歪板とを圧延接合した複合材を切断することで得られた。圧延接合後のヨークの厚さと磁歪板の厚さを表２に示す。試料Ｎｏ．１から試料Ｎｏ．１２における接合後のヨークの厚さとは、ヨークにおいて磁歪板が接合されていない部分の厚さである。また、ヨークにおいて磁歪板が接合された部分の厚さ、即ち磁性部の厚さも表２に示す。取得した磁歪部品において、ヨークの長さは８０ｍｍである。磁歪板の長さは１６ｍｍである。ヨーク及び磁歪板のそれぞれの幅は４ｍｍである。この磁歪部品をＵ字状に曲げ加工した。ヨークの屈曲部の曲げ半径は１．５ｍｍとした。
【0070】
表１に示す試料Ｎｏ．１３から試料Ｎｏ．１７では、ヨークと磁歪板との接合は、接着、ろう付け、抵抗溶接、レーザー溶接のいずれかの方法により行われた。用意したヨークの材料及び厚さを表１に示す。用意した磁歪板の材料及び厚さを表１に示す。これらの試料では、ヨークの上面の一部を切削加工して凹部を設けた。凹部の長さ及び幅はそれぞれ、磁歪板の長さ及び幅と同じである。凹部の深さは、磁歪板の厚さと同じである。そして、この凹部に磁歪板を埋め込んだ状態で磁歪板をヨークに接合して、磁歪部品を取得した。この磁歪部品をＵ字状に曲げ加工した。接合後のヨークの厚さと磁歪板の厚さを表２に示す。試料Ｎｏ．１３から試料Ｎｏ．１７における接合後のヨークの厚さとは、ヨークにおいて磁歪板が接合されていない部分の厚さ、即ち凹部を除いた部分の厚さである。また、ヨークにおいて磁歪板が接合された部分の厚さ、即ち磁性部の厚さも表２に示す。ヨークの長さは８０ｍｍである。磁歪板の長さは１６ｍｍである。ヨーク及び磁歪板のそれぞれの幅は４ｍｍである。ヨークの屈曲部の曲げ半径は１．５ｍｍとした。表１中、圧縮率又は加熱温度の欄が「－」である場合は、圧延加工又は熱処理が行われていないことを示す。
【0071】
試料Ｎｏ．１３では、エポキシ系接着剤を用いて磁歪板をヨークに接着した。試料Ｎｏ．１４では、銀ろうを用いて磁歪板をヨークにろう付けした。試料Ｎｏ．１５及び試料Ｎｏ．１６では、抵抗溶接によって磁歪板をヨークに接合した。試料Ｎｏ．１５での抵抗溶接の条件と試料Ｎｏ．１６での抵抗溶接の条件とは異なる条件である。試料Ｎｏ．１７では、レーザー溶接によって磁歪板をヨークに接合した。試料Ｎｏ．１７は、磁歪板の端部のみをヨークに溶接した。
【0072】
各試料について、中間層の厚さを測定した。中間層の厚さは、次のようにして測定した。ヨークと磁歪板とが接合された部分の断面をとり、その断面をＳＥＭで観察する。上記断面は、ヨークの長手方向に沿って厚さ方向に切断した縦断面である。ＳＥＭに付属のＥＤＸを用いて、縦断面を磁歪板からヨークに向かって厚さ方向にライン分析を行い、元素の濃度プロファイルを測定する。取得した濃度プロファイルから磁歪板に含まれる特有の元素の濃度プロファイルを選択し、上記特有の元素が濃度勾配を有する領域の厚さを測定する。上記特有の元素は、磁歪材料がパーメンジュール又はバイカロイの場合はコバルトであり、磁歪材料が鉄－ガリウム系合金の場合はガリウムである。厚さの測定は異なる５点について行い、その厚さの平均値を中間層の厚さとみなす。中間層の厚さを表２に示す。
【0073】
各試料について、空隙率を測定した。空隙率は、次のようにして測定した。ヨークと磁歪板とが接合された部分の断面をとり、その断面をＳＥＭで観察する。上記断面は、ヨークの幅方向に沿って厚さ方向に切断した横断面である。ヨークと磁歪板との間に厚さ方向に１μｍ以上の隙間が存在する部分を空隙とみなす。ヨークと磁歪板との間に存在する全ての空隙の幅方向の長さを測定する。磁歪板の幅の全長にわたって空隙の長さを測定し、全ての空隙の合計長さを求める。磁歪板の幅の全長に対する空隙の合計長さの比率を空隙率とする。５箇所の横断面を観察し、これら５箇所の横断面における空隙率の平均値を空隙率とする。空隙率を表２に示す。
【0074】
各試料の磁歪部品を備える発電素子を作製した。発電素子の構成は、上述した図６に示す発電素子の構成と同様である。磁石は、ネオジム磁石である。磁石によって、ヨークに磁気回路が形成された状態において、磁歪板は磁気飽和しておらず、磁性部は磁気飽和している。コイルは、巻線の直径が０．０５ｍｍ、巻き数が３４５６ターンである。コイルは、ヨークと磁歪板とが接合された部分に挿入した後、シリコンゴムを用いて固定した。
【0075】
（出力特性）
各試料の磁歪部品を備える発電素子の出力特性を評価した。
各試料の磁歪部品を備える発電素子の出力特性を評価した。
【0076】
各試料の発電素子の発電出力を測定した。ヨークの第一の片の端部を振動源に固定した。ヨークの第二の片の端部に錘を金具で固定した。錘と金具を合わせた重量は、２．０ｇである。振動源によりヨークに正弦波の振動を加え、周波数応答グラフから共振周波数を求めた。２５℃の室温環境下で、振動源により共振周波数１２０Ｈｚ、加速度１Ｇの振動を加えて、１億回振動させたときの発電出力を求めた。また、発電出力を磁歪板の体積で割って、磁歪板の単位体積あたりの発電出力を算出した。磁歪板の単位体積あたりの発電出力が２０μＷ／ｍｍ３以上の場合、出力特性の評価をＡとする。磁歪板の単位体積あたりの発電出力が２０μＷ／ｍｍ３未満の場合、出力特性の評価をＢとする。発電素子の発電出力、磁歪板の単位体積あたりの発電出力、及び出力特性の評価を表２に示す。
【0077】
（耐久性）
１２０℃の高温環境下で、各試料の発電素子の発電出力を測定した。１回振動させたときの発電出力と、１億回振動させたときの発電出力とをそれぞれ求めた。そして、１億回振動させたときの発電出力を１回振動させたときの発電出力で割った値を求めた。この値が高いほど、高温下でも長期にわたって発電出力を維持できていることから、高温下での耐久性にも優れるといえる。この値が０．９以上の場合、耐久性の評価をＡとし、この値が０．９未満の場合、耐久性の評価をＢとする。耐久性の評価を表２に示す。
１２０℃の高温環境下で、各試料の発電素子の発電出力を測定した。１回振動させたときの発電出力と、１億回振動させたときの発電出力とをそれぞれ求めた。そして、１億回振動させたときの発電出力を１回振動させたときの発電出力で割った値を求めた。この値が高いほど、高温下でも長期にわたって発電出力を維持できていることから、高温下での耐久性にも優れるといえる。この値が０．９以上の場合、耐久性の評価をＡとし、この値が０．９未満の場合、耐久性の評価をＢとする。耐久性の評価を表２に示す。
【0078】
【表1】
【0079】
【表2】
【0080】
試料Ｎｏ．１からＮｏ．１１の発電素子は、出力特性の評価がＡで、かつ、耐久性の評価がＡである。よって、これらの発電素子は、高い出力特性を有しながら、高温下での耐久性に優れる。これらの発電素子に備える磁歪部品はいずれも、中間層の厚さが１０ｎｍ以上５０μｍ以下である。加えて、空隙率が１０％以下も満たしている。
【0081】
これに対し、試料Ｎｏ．１２からＮｏ．１７の発電素子は、出力特性の評価及び耐久性の評価の少なくとも一方がＢである。試料Ｎｏ．１２の発電素子の耐久性が劣る理由は、次のとおりである。試料Ｎｏ．１２の発電素子に備える磁歪部品は、中間層の厚さが６ｎｍである。そのため、長期にわたって振動を加えられることによって、磁歪板の剥離が生じ、発電出力が低下したからであると考えられる。試料Ｎｏ．１３の発電素子の耐久性が劣る理由は、接着剤が高温に耐えられず、磁歪板の剥離が生じたことによって、発電出力が低下したからであると考えられる。
【0082】
試料Ｎｏ．１４からＮｏ．１７の発電素子は出力特性が劣る。これらの発電素子に備える磁歪部品はいずれも、中間層の厚さが５０μｍ超である。これらの発電素子の出力特性が劣る理由は、次のとおりである。中間層が厚いほど、磁歪材料が中間層の生成に消費される。その結果、磁歪板における逆磁歪効果による磁束の変化が小さくなるため、出力特性が低下したからであると考えられる。また、Ｎｏ．１７の発電素子は耐久性にも劣る。試料Ｎｏ．１７の発電素子の耐久性が劣る理由は、次のとおりである。試料Ｎｏ．１７の発電素子に備える磁歪部品は、空隙率が４０％である。そのため、長期にわたって振動を加えられることによって、磁歪板の剥離が生じ、発電出力が低下したからであると考えられる。
【0083】
その他、この試験結果から以下のことが分かる。
試料Ｎｏ．１とＮｏ．２との比較結果から、熱処理を行うと、中間層が厚くなり易いことが分かる。また、試料Ｎｏ．２、Ｎｏ．９からＮｏ．１１の比較結果から、加熱温度が高いほど、中間層が厚くなり易いことが分かる。
試料Ｎｏ．２、Ｎｏ．８、及びＮｏ．１２の比較結果から、圧縮率が高いほど、中間層が厚くなり易いことが分かる。
試料Ｎｏ．１とＮｏ．２との比較結果から、熱処理を行うと、中間層が厚くなり易いことが分かる。また、試料Ｎｏ．２、Ｎｏ．９からＮｏ．１１の比較結果から、加熱温度が高いほど、中間層が厚くなり易いことが分かる。
試料Ｎｏ．２、Ｎｏ．８、及びＮｏ．１２の比較結果から、圧縮率が高いほど、中間層が厚くなり易いことが分かる。
【符号の説明】
【0084】
１ 磁歪部品
２ ヨーク、２１ 第一の片、２２ 第二の片、２３ 屈曲部
２０ 磁性部
３ 磁歪板
３０ 中間層
４ 磁石、５ コイル、６ 振動源、７ 錘
１０ 発電素子
１００ 複合材
ＭＤ 縦方向、ＴＤ 横方向
２ ヨーク、２１ 第一の片、２２ 第二の片、２３ 屈曲部
２０ 磁性部
３ 磁歪板
３０ 中間層
４ 磁石、５ コイル、６ 振動源、７ 錘
１０ 発電素子
１００ 複合材
ＭＤ 縦方向、ＴＤ 横方向
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】