特許 7084620 磁歪材料の特性測定方法及び磁歪材料の特性測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-06-07

(45)【発行日】2022-06-15

(54)【発明の名称】磁歪材料の特性測定方法及び磁歪材料の特性測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01R 33/18 20060101AFI20220608BHJP

   G01R 33/14 20060101ALI20220608BHJP

【ＦＩ】

G01R33/18

G01R33/14

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2018196573

(22)【出願日】2018-10-18

(65)【公開番号】P2020063997

(43)【公開日】2020-04-23

【審査請求日】2021-03-17

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２９年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「ベンチャー企業等による新エネルギー技術革新支援事業／ベンチャー企業等による新エネルギー技術革新支援事業（風力発電その他未利用エネルギー）／環境発電デバイスの実用化に向けた、磁歪材料の結晶組成、形状制御作製技術の開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】504160781

【氏名又は名称】国立大学法人金沢大学

(74)【代理人】

【識別番号】100109210

【弁理士】

【氏名又は名称】新居 広守

(72)【発明者】

【氏名】上野 敏幸

(72)【発明者】

【氏名】南谷 保

【審査官】越川 康弘

(56)【参考文献】

【文献】中国特許出願公開第１０１１１８２７７（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開昭６１－０４８７７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】吉川隆，河守章好，超磁歪振動子の特性解析，沖電気研究開発，沖電気工業株式会社，第１７４号，Ｖｏｌ．６４，Ｎｏ．２

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｒ ３３／１８

Ｇ０１Ｒ ３３／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

所定の強度である第一磁場を発生させる第一励磁ステップと、
前記第一磁場に置かれ圧力をかけられていない磁歪材料が挿入されたコイルのインピーダンスを測定するインピーダンス測定ステップと、
前記インピーダンスの測定結果から前記磁歪材料の特性を算出する算出ステップと、
強度が連続的に変化する第二磁場を発生させる第二励磁ステップと、
前記第二磁場に置かれ圧力をかけられていない前記磁歪材料における磁束密度を測定することで、磁化曲線を算出する磁化曲線算出ステップとを含み、
前記所定の強度を変更しながら、前記第一励磁ステップ、前記インピーダンス測定ステップ及び前記算出ステップを繰り返し、
前記第一励磁ステップでは、前記磁化曲線算出ステップで算出された磁化曲線に基づいて前記所定の強度を決定する
磁歪材料の特性測定方法。

【請求項2】

前記磁歪材料の特性は、
力学的エネルギーから電気的エネルギーへの変換率である力係数と、
ヤング率と、
透磁率とを含む
請求項１に記載の磁歪材料の特性測定方法。

【請求項3】

所定の強度である第一磁場を発生させる第一励磁部と、
前記第一磁場に置かれ圧力をかけられていない磁歪材料が挿入されたコイルのインピーダンスを測定するインピーダンス測定部と、
前記インピーダンスの測定結果から前記磁歪材料の特性を算出する算出部と、
前記所定の強度を変更しながら、前記第一励磁部、前記インピーダンス測定部及び前記算出部の動作を繰り返させる制御部と、
強度が連続的に変化する第二磁場を発生させる第二励磁部と、
前記第二磁場に置かれ圧力をかけられていない前記磁歪材料における磁束密度を測定することで、磁化曲線を算出する磁化算出部とを備え、
前記制御部は、前記磁化算出部で算出された磁化曲線に基づいて前記第一励磁部における前記所定の強度を決定する
磁歪材料の特性測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁歪材料の特性測定方法及び磁歪材料の特性測定装置に関し、特に、簡便かつ迅速に、磁歪材料の特性を測定できる磁歪材料の特性測定方法及び磁歪材料の特性測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

磁歪材料は、圧縮や引張りなどの力を加えることで、磁化が大きく変化する逆磁歪効果などの特徴を持ち、振動発電素子などへ応用が期待されている。振動発電素子の発電効率は磁歪材料の特性に依存することが明らかとなっており、高効率化を目的として、高い特性をもつ磁歪材料を選定するための特性測定方法が求められている。

【0003】

非特許文献１においては、一定の磁場強度の下で磁歪材料に関するインピーダンスを測定することで、特性を導出し、その良否を評価している。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【文献】Comparison of transduction behavior of polycrystalline gallium-iron alloys and Terfenol-D（Proceedings Volume 5387，Smart Structures and Materials 2004）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

一方で磁歪材料の特性は、磁場強度依存性をもつ。非特許文献１のような一定の磁場強度の下で特性を測定する方法では、特性が最高値を示す磁場の下で測定しない可能性があり、本来であれば、高い特性を発揮する磁歪材料を見出すことができない。

【0006】

また、非特許文献１においては、数１０ＭＰａもの圧力をかける工程も開示されており、非常に煩雑で時間のかかる作業が求められる。

【0007】

振動発電素子の更なる高効率化には、簡便で迅速に、高い特性を示す磁歪材料を選定し、かつ、その磁歪材料が最も高い特性を示す磁場強度を明らかにできる特性測定方法が求められている。

【0008】

そこで本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、簡便かつ迅速に、磁歪材料の特性の磁場強度依存性を測定できる磁歪材料の特性測定方法及び磁歪材料の特性測定装置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】

【0009】

上記目的を達成するために、本発明に係る磁歪材料の特性測定方法の一態様においては、所定の強度である第一磁場を発生させる第一励磁ステップと、前記第一磁場に置かれた磁歪材料が挿入されたコイルのインピーダンスを測定するインピーダンス測定ステップと、インピーダンスの測定結果から前記磁歪材料の特性を算出する算出ステップとを含み、前記所定の強度を変更しながら、前記第一励磁ステップ、前記インピーダンス測定ステップ及び前記算出ステップを繰り返す。

【0010】

また、本発明に係る磁歪材料の特性測定装置の一態様においては、所定の強度である第一磁場を発生させる第一励磁部と、前記第一磁場に置かれた磁歪材料が挿入されたコイルのインピーダンスを測定するインピーダンス測定部と、前記インピーダンスの測定結果から前記磁歪材料の特性を算出する算出部と、前記所定の強度を変更しながら、前記第一励磁部、前記インピーダンス測定部及び前記算出部の動作を繰り返させる制御部とを備える。

【発明の効果】

【0011】

本発明に係る磁歪材料の特性測定方法及び磁歪材料の特性測定装置により、簡便かつ迅速に、磁歪材料の特性の磁場強度依存性を測定できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1A】図１Ａは実施の形態における磁歪材料の特性測定装置の概観図である。

【図1B】図１Ｂは図１Ａにおいて、磁歪材料と計測コイルを拡大した図である。

【図2】図２は実施の形態における磁歪材料の特性測定方法のフローチャートである。

【図3】図３は実施の形態における計測コイルの等価回路を示す図である。

【図4A】図４Ａは実施の形態における計測コイルのインピーダンスループの図である。

【図4B】図４Ｂは実施の形態における計測コイルのインピーダンスループから電気成分を取り除いた成分のループを示す図である。

【図5】図５は実施の形態における磁場強度を変更して測定したインピーダンスループを示す図である。

【図6】図６は実施の形態におけるインピーダンスループから得られた特性の磁場強度依存性を示す図である。

【図7】図７は実施の形態における振動発電素子の出力電圧と力係数の相関性を示した図である。

【図8】図８は実施の形態の変形例における磁歪材料の特性測定装置の概観図である。

【図9】図９は実施の形態の変形例における磁歪材料の特性測定方法のフローチャートである。

【図10】図１０は実施の形態の変形例における磁歪材料の磁化曲線を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

（実施の形態）
[装置構成]
以下、本発明の実施の一形態について、図１Ａ～７を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示す。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、動作の順序等は、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、より好ましい形態を構成する任意の構成要素として説明する。

【0014】

図１Ａは実施の形態における磁歪材料の特性測定装置１００Ａの概観図である。この磁歪材料の特性測定装置１００Ａは、第一励磁部１０と、インピーダンス測定部２０と、算出部３０と、制御部４０を備える。また、図１Ｂは、図１Ａにおいて、インピーダンス測定部２０に関わる磁歪材料２１と計測コイル２２を拡大した図である。

【0015】

続いて図１Ａについてさらに詳細に説明する。

【0016】

第一励磁部１０は、所定の強度である第一磁場を発生させる。具体的には、励磁コイル１１と、直流電流源１２と、ヨーク１３を含む。

【0017】

励磁コイル１１は、第一磁場を発生させるために用いられるコイルである。後述するが、この第一磁場によって磁歪材料２１を磁化させる。具体的には、励磁コイル１１は、その両端を直流電流源１２に接続され、所定の電流を流すことで磁歪材料２１を磁化させる第一磁場を発生させる。また、励磁コイル１１の中心部にはヨーク１３が挿入されており、ヨーク１３に巻き付けられた構造を持つ。励磁コイル１１の材質は、周囲を絶縁材料で被覆された導線であり、例えばエナメル線で構成されている。励磁コイル１１の線径、巻き数、直流抵抗値は任意であるが、それぞれ０．０５ｍｍ～０．２ｍｍ、１０００ターン～５０００ターン、５０Ω～５００Ωが好ましい値となるが、これらに限られるものではない。また、例えば、１００ｍＡの電流を流したときに、１０００Ａ／ｍ～２００００Ａ／ｍの磁界が得られるようにすればよい。さらに、同様の電流を流したときに、５０００Ａ／ｍ～１５０００Ａ／ｍの磁界でもよく、さらに、８０００Ａ／ｍ～１２０００Ａ／ｍの磁界であれば好ましい。

【0018】

直流電流源１２は、第一磁場を発生させるための電流を流すために用いられる。具体的には、直流電流源１２は、励磁コイル１１の両端と接続され、設定に従って所定の電流を流すことができる。また、この電流値は任意の値をとることができるが、実施の形態においては、１０～１００ｍＡの電流値から選択する。励磁コイル１１に発生する第一磁場の強度は、励磁電流値に依存する。そのため、測定前に励磁電流値を設定することで、発生する第一磁場の強度を制御することができる。

【0019】

ヨーク１３は、発生した第一磁場の磁束をヨーク１３へ集中させ、効率よく磁歪材料２１を励磁するために用いられる。具体的には、ヨーク１３は、磁性材料で構成され、特に軟磁性を示す材料が望ましい。例えば、ヨーク１３は、鉄、フェライトなどが用いられるが、実施の形態では鉄を用いる。実施の形態で示した形状は、Ｃの字型であるが、その他Ｕの字型でもよい。ヨーク１３は、磁歪材料２１を効率よく励磁するために用いられるため、磁歪材料２１をＣの字型の離間した端面に保持でき、その結果、閉磁気回路になる構造であれば好ましい。また、ヨーク１３の一部に励磁コイル１１が巻き付けられている。

【0020】

インピーダンス測定部２０は第一磁場に置かれた磁歪材料２１が挿入されたコイルのインピーダンスを測定する。具体的には、計測コイル２２、インピーダンスアナライザー２３とを含む。

【0021】

はじめに、インピーダンス測定部２０には含まれないが、測定の対象となる磁歪材料２１について説明する。磁歪材料２１は、振動発電素子へ適用されうる材料であり、実施の形態においては鉄－ガリウム合金を用いた。この材料は応力を加えることで、１テスラ以上も磁化が変化するため、振動発電素子の重要部材として期待されている。また、実施の形態においては、磁歪材料２１の形状として、振動発電素子に用いる形状である板状の構造を用いた。しかしながら、その他形状を用いてもよい。さらに、磁歪材料２１は引張り、圧縮などの圧力をかけることなくヨーク１３に保持されている。

【0022】

計測コイル２２は、磁歪材料２１の磁場の強さに対するコイルのインピーダンスを測定するために設けられている。具体的には、コイルの中心部に磁歪材料２１が挿入されており、コイルの両端はインピーダンスアナライザー２３に接続されている。計測コイル２２の材質は、周囲を絶縁材料で被覆された導線であり、例えばエナメル線で構成されている。計測コイル２２の線径、巻き数、直流抵抗値は任意であるが、それぞれ０．０５ｍｍ～０．１ｍｍ、１０ターン～１０００ターン、０．５Ω～１００Ωが好ましい値となる。計測コイル２２の中心部に磁歪材料２１が存在しているため、磁歪材料２１の磁場の強さによって、計測コイル２２のインピーダンスは変化する。

【0023】

また、図１Ｂで示したように、磁歪材料２１の計測コイル２２に挿入する部分の長さ、すなわち、磁歪材料２１において計測コイル２２が巻き付けられている長さをＬ_１、磁歪材料２１の長さをＬ_２とする。

【0024】

このとき、Ｌ_１を、実際の振動発電素子に使用する場合と同じ長さにすると、得られる磁歪材料２１の特性と、実際の振動発電素子の特性との相関性の向上が期待できる。

【0025】

さらに、Ｌ_１を短くすると、より微小範囲の特性を計測し、磁歪材料２１における分布を調査することができる。

【0026】

インピーダンスアナライザー２３は、計測コイル２２の両端へ接続され、励磁コイル１１によって励磁された磁歪材料２１の磁場の強さに対する計測コイル２２のインピーダンスを測定する。このインピーダンスは抵抗成分とリアクタンス成分に分けて測定することが可能である。さらに、周波数を変えながらインピーダンスを測定することで、インピーダンスの周波数依存性を測定することができる。実施の形態においては、周波数を５０～１５０ｋ［Ｈｚ］の値に変更しながら測定を実施する。

【0027】

なお、実施の形態で用いたインピーダンスアナライザー２３は、以下のような点において、既存のインピーダンスアナライザーと異なっていてもよい。既存のインピーダンスアナライザーは、電流にバイアスを加える機能を持つ。実施の形態で用いたインピーダンスアナライザー２３との相違点として、この既存のインピーダンスアナライザーは、上記バイアスが小さい電流値での利用を想定されている点、さらに、外部から磁場が印加されることを想定されていない点、の２点が挙げられる。例えば、上記バイアスを加える機能では、永久磁石が作る磁場を再現することはできない。

【0028】

算出部３０はインピーダンスの測定結果から磁歪材料２１の特性を算出する。具体的には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ディスプレイ３１を含むパーソナルコンピューターなどである（ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭは図示しない）。

【0029】

ＣＰＵは、ＲＯＭに格納されたプログラムを実行するプロセッサである。このプログラムは、得られた計測コイル２２のインピーダンスを用いて磁歪材料２１の特性を算出するためのプログラムである。

【0030】

ＲＯＭは、プログラム等を保持する読み出し専用メモリである。

【0031】

ＲＡＭは、ＣＰＵがプログラムを実行するときに使用する不揮発性の記憶領域等を有する読み書き可能なメモリである。

【0032】

ディスプレイ３１は、液晶表示装置（ＬＣＤ）等であり、測定者との対話に使用されたり、磁歪材料の特性測定装置１００Ａの動作状態を表示したりする。

【0033】

制御部４０は第一磁場の強度を変更しながら、第一励磁部１０、インピーダンス測定部２０及び算出部３０の動作を繰り返させる。具体的には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ディスプレイ４１を含むパーソナルコンピューターなどである（ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭは図示しない）。

【0034】

ＣＰＵは、ＲＯＭに格納されたプログラムを実行するプロセッサである。このプログラムは、磁場の強度を変更しながら、第一励磁部１０、インピーダンス測定部２０、算出部３０の動作を制御し、繰り返し実行させるためのプログラムである。

【0035】

ＲＯＭは、プログラム等を保持する読み出し専用メモリである。

【0036】

ＲＡＭは、ＣＰＵが制御プログラムを実行するときに使用する不揮発性の記憶領域等を有する読み書き可能なメモリである。

【0037】

ディスプレイ４１は、液晶表示装置（ＬＣＤ）等であり、測定者との対話に使用されたり、磁歪材料の特性測定装置１００Ａの動作状態を表示したりする。

【0038】

[装置の動作]
次に、以上のように構成された実施の形態における磁歪材料の特性測定装置１００Ａの動作について、実施例を用いて詳細に説明する。

【0039】

図２は、図１Ａで示された磁歪材料の特性測定装置１００Ａを用いて、計測コイル２２のインピーダンスを測定する方法、すなわち磁歪材料の特性測定方法のフローチャートである。以下のステップは、測定者またはプログラムに基づく制御部４０によって実行される。

【0040】

初めに、直流電流源１２が流す直流電流値を設定する（Ｓ１０）。励磁コイル１１は、所定の直流電流が流されることで、励磁電流値に応じた第一磁場を発生させる（Ｓ１１）。励磁コイル１１により発生した磁束は、励磁コイル１１内のヨーク１３を通じ、ヨーク１３に保持された磁歪材料２１へと到達し、磁歪材料２１を磁化させる（Ｓ１２）。次に、インピーダンス測定部２０は、このときの磁歪材料２１の磁場の強さに対応する計測コイル２２のインピーダンスを測定する（Ｓ１３）。さらに、算出部３０は、得られたインピーダンスを基に特性を算出する（Ｓ１４）。また、これら特性は磁歪材料２１の磁場の強さに依存する。特性について磁場の強さの依存性を明らかにするためには、再度第一磁場の強度を変えて、すなわち、磁歪材料２１の磁場の強さを変えて、計測コイル２２のインピーダンスを測定する必要がある。そこで、一定回数以上測定していない場合（Ｓ１５にてｎｏの場合）、制御部４０は、計測コイル２２へ流す電流値を変更し（Ｓ１６）、Ｓ１１からＳ１４を繰り返す。また、特性の磁場強度依存性について十分得られた場合、すなわち、一定回数以上測定した場合（Ｓ１５にてｙｅｓの場合）、測定は終了となる。

【0041】

以上をまとめると、励磁電流値を変更して、すなわち印加磁場強度を変更して繰り返してインピーダンスを測定することで、磁歪材料２１の特性の磁場強度依存性を測定することができる。また、このとき、磁歪材料２１に圧力をかけるなどの工程は必要としない。

【0042】

このような構成、及び方法を用いることで、簡便かつ迅速に、磁歪材料２１の磁場の強さに対する計測コイル２２のインピーダンスを測定することができ、得られたインピーダンスを用いて磁歪材料２１の特性を導出することが可能となる。すなわち、簡便かつ迅速に、磁歪材料２１の特性の磁場強度依存性を測定できる。

【0043】

図３は、図２でインピーダンスを測定した計測コイル２２の等価回路を示す図である。図３の（ａ）は機械的な回路、図３の（ｂ）は電気的な回路を示している。また、この等価回路は、磁歪材料２１が仲立ちとなり、機械的な回路と電気的な回路が結合したかたちとなっている。

【0044】

計測コイル２２の等価回路は機械的な部分と電気的な部分に分けて示されている。図３の（ａ）が示すように機械的な部分は１自由度の共振系であり、磁歪材料２１の等価質量と、ばね定数、及び磁歪材料自体と測定系として組み上げたことによる粘性減衰係数の直列接続である。また、図３の（ｂ）で示すように電気的な部分は計測コイル２２の直流抵抗とインダクタンスとの直列接続である。

【0045】

この回路の等価インピーダンスＺは式（１）にて、表すことができる。

【0046】

【数1】

【0047】

このとき、Ｚ_Ｅは電気インピーダンス、Ｚ_Ｍは機械インピーダンス、αは力学的エネルギーから電気的エネルギーへの変換率である力係数である。また、機械系では、ｋはばね定数、ｍは等価質量、ｃは粘性減衰係数、電気系では、Ｒはコイルの巻き線抵抗、Ｌはインダクタンスである。さらにｊは虚数である。

【0048】

図４Ａは、図３の等価回路から得られた一定の電流値の下の計測コイル２２におけるインピーダンスの周波数依存性を表すインピーダンスループの図である。また、図４Ｂは図４Ａで得られたインピーダンスループから電気回路成分を取り除いた成分のループを示す図である。インピーダンスアナライザー２３の測定周波数を５０～１５０ｋ［Ｈｚ］に変化させ、各周波数に対応するインピーダンスの値について、実数部（抵抗成分）を横軸、虚数部（リアクタンス成分）を縦軸として示している。

【0049】

この図４Ｂから得られる数値と式（２）～式（６）を用いることで、磁歪材料２１の特性を得ることができる。

【0050】

【数2】

【数3】

【数4】

【数5】

【数6】

【0051】

このとき、ｆ_０は共振周波数、ｆ_１は機械インピーダンスの偏角が＋４５°となる周波数、ｆ_２は機械インピーダンスの偏角が－４５°となる周波数、Ｒ_ｍは円の直径、Ｘ_５０は５０［Ｈｚ］でのリアクタンスである。さらに、図１Ｂで示したように、Ｌ_１は磁歪材料２１において計測コイル２２が巻き付けられている長さ、Ｌ_２は磁歪材料２１の長さである。また、Ｓは磁歪材料２１の断面積、ｎは計測コイル２２の巻数である。さらに、Ｅは磁歪材料２１のヤング率、μ_ｓは磁歪材料２１の比透磁率である。また、等価質量ｍについては、有限要素法の静解析と共振解析により事前に計算しておく。なお実施の形態においては、磁歪材料２１の特性とは、力係数α、比透磁率μ_ｓ、ヤング率Ｅを表しているが、上記に示すような粘性減衰係数ｃを含んでもよいし、さらには、これらに限られるものではない。

【0052】

図５は、図２のステップＳ１６で示されたように、電流値を変更して、すなわち印加磁場強度を変更して、繰り返し測定したインピーダンスループを示す図である。さらに、図６の（ａ）、図６の（ｂ）、図６の（ｃ）は、図５のインピーダンスループから得られた力係数α、比透磁率μ_ｓ、ヤング率Ｅの磁場強度依存性を示す図である。

【0053】

図５からわかるように、インピーダンスループの形状は磁場に依存している。その結果、式（２）～式（６）で得られた磁歪材料２１の特性は、図６の（ａ）、図６の（ｂ）、図６の（ｃ）が示すように磁場に依存することがわかる。

【0054】

図７は、振動発電素子の出力電圧と力係数αの相関性を示した図である。

【0055】

種々の力係数αをもつ磁歪材料２１を用いて、振動発電素子を作製し、素子を振動させながら出力電圧を測定した。図７の横軸は用いた磁歪材料２１の力係数α、縦軸は出力電圧を振動加速度で除した数値であり、発電効率とみなすことができる。力係数αが増大するにつれて出力電圧を振動加速度で除した数値も増大し、これらは、高い相関性があることが明らかである。すなわち、力係数αは振動発電素子の発電効率と高い関係性があり、振動発電素子の発電効率を高めるには、力係数αを高める必要があることが示されている。

【0056】

なお、実施の形態における磁歪材料の特性測定方法においては、特性の一つとして磁歪材料の透磁率μを変換した比透磁率μ_ｓを用いた。磁歪材料の透磁率μは、比透磁率μ_ｓと、真空の透磁率μ_０とを含む式（７）により導出することができる。

【0057】

【数7】

【0058】

式（７）を用いて、実施の形態における磁歪材料の特性測定方法において、特性の一つとして透磁率μを導出してもよい。

【0059】

以上のように、実施の形態における磁歪材料の特性測定方法は、所定の強度である第一磁場を発生させる第一励磁ステップＳ１１と、第一磁場に置かれた磁歪材料２１が挿入されたコイルのインピーダンスを測定するインピーダンス測定ステップＳ１３と、インピーダンスの測定結果から磁歪材料２１の特性を算出する算出ステップＳ１４とを含み、所定の強度を変更しながら、第一励磁ステップＳ１１、インピーダンス測定ステップＳ１３及び算出ステップＳ１４を繰り返す。

【0060】

また、実施の形態における磁歪材料の特性測定装置１００Ａは、所定の強度である第一磁場を発生させる第一励磁部１０と、第一磁場に置かれた磁歪材料２１が挿入されたコイルのインピーダンスを測定するインピーダンス測定部２０と、インピーダンスの測定結果から磁歪材料２１の特性を算出する算出部３０と、所定の強度を変更しながら、第一励磁部１０、インピーダンス測定部２０及び算出部３０の動作を繰り返させる制御部４０とを備える。

【0061】

以上のような方法、及び装置を用いることで、簡便かつ迅速に、磁歪材料２１の特性の磁場強度依存性を測定できる。

【0062】

また、実施の形態における磁歪材料の特性測定方法は、磁歪材料２１の特性として、力学的エネルギーから電気的エネルギーへの変換率である力係数αと、ヤング率Ｅと、透磁率μとを含む。

【0063】

以上のような方法を用いることで、簡便かつ迅速に、振動発電素子の発電効率の因子である力係数α、透磁率μ、ヤング率Ｅの磁場強度依存性を測定できる。さらに、特に重要な因子である力係数αが最も高くなる印加磁場強度も明らかにすることができるため、振動発電素子へ適用した際に、高い発電効率を発揮することが容易になる。つまりは、高い力係数αを示す磁歪材料を迅速かつ簡単に見出すことができるため、高い発電効率を持った振動発電素子を容易に作製することが可能となる。

【0064】

（変形例）
[装置構成]
図８は実施の形態の変形例における磁歪材料の特性測定装置１００Ｂの概観図である。この磁歪材料の特性測定装置１００Ｂは、第一励磁部１０と、インピーダンス測定部２０と、算出部３０と、制御部４０と、第二励磁部５０と、磁束算出部６０とを備える。

【0065】

本変形例に係る磁歪材料の特性測定装置１００Ｂは、基本的には実施の形態に係る磁歪材料の特性測定装置１００Ａと同様の構成を備えるが、新たな構成要素として第二励磁部５０と、磁束算出部６０とを備える点が実施の形態と異なる。以下、実施の形態と異なる点を中心に説明する。

【0066】

第二励磁部５０は、強度が連続的に変化する第二磁場を発生させる。具体的には、第二励磁部５０は、交流電流源５１を含む。さらに、第一励磁部１０に含まれる励磁コイル１１は、第二励磁部５０の一部として兼用される。

【0067】

励磁コイル１１は、第二励磁部５０として使用する場合においては、第二磁場を発生させるために用いられるコイルである。後述するように、この第二磁場が磁歪材料２１を磁化させる。具体的には、励磁コイル１１は、その両端を直流電流源１２ではなく、交流電流源５１と接続され、所定の電流を流すことで磁歪材料２１を磁化させる第二磁場を発生させる。また、第一磁場発生時と同じく、励磁コイル１１は、その中心部にヨーク１３が挿入されており、ヨーク１３に巻き付けられた構造を持つ。

【0068】

このように励磁コイル１１は、第一磁場を発生させるときは直流電流源１２に接続され、第二磁場を発生させるときは交流電流源５１に接続されるため、これらを切替えるスイッチ７１を有していることが好ましい。また、このスイッチ７１の接続先を切り替える手段として、制御部４０による制御を用いてもよい。

【0069】

交流電流源５１は、第二磁場を発生させるための電流を流すために用いられる。具体的には、交流電流源５１は、励磁コイル１１の両端と接続され、設定に従って所定の電流を流すことができる。また、この電流値、及び周波数は任意の値をとることができるが、本変形例においては、２００ｍＡ、０．１Ｈｚとする。

【0070】

磁束算出部６０は、第二磁場に置かれた磁歪材料２１の磁束密度を算出することで、磁化曲線を導出する。具体的には、磁束算出部６０は、ＤＣアンプ６１と、電圧計６２を含む。さらに、インピーダンス測定部２０に含まれる計測コイル２２は、磁束算出部６０の一部として兼用される。

【0071】

計測コイル２２は、磁束算出部６０として使用する場合においては、磁歪材料２１の磁束密度変化に対応する誘導起電圧を測定するために用いられるコイルである。具体的には、計測コイル２２は、その中心部に磁歪材料２１が挿入されており、磁歪材料２１に巻き付けられた構造を持つ。さらに計測コイル２２の両端は、インピーダンスアナライザー２３ではなく、ＤＣアンプ６１に接続されている。第二磁場によって磁歪材料２１の磁束密度が変化するため、磁歪材料２１の周囲に存在する計測コイル２２には誘導起電圧が生じる。ＤＣアンプ６１、及び電圧計６２は、この誘導起電圧を計測する。

【0072】

このように計測コイル２２は、コイルのインピーダンスを測定するときはインピーダンスアナライザー２３に接続され、磁歪材料２１の磁束密度を測定するときはＤＣアンプ６１に接続されるため、これらを切替えるスイッチ７２を有していることが好ましい。また、このスイッチ７１の接続先を切り替える手段として、制御部４０による制御を用いてもよい。

【0073】

ＤＣアンプ６１は、計測コイル２２の誘導起電圧を増幅するために用いられる。具体的には、計測コイル２２の両端と接続されており、計測コイル２２が入力した電圧を増幅し、電圧計６２へと出力する。また、ノイズなどの高周波数成分をカットし、低周波数成分を通過させる１００Ｈｚのローパスフィルターを備えている。

【0074】

電圧計６２は、ＤＣアンプ６１が入力した計測コイル２２の誘導起電圧を測定するために用いられる。具体的には、ＤＣアンプ６１と接続されている。電圧計６２は、ＤＣアンプ６１から入力された電圧を基に、第二磁場によって変化した磁歪材料２１の磁束密度を算出する。また、この得られた磁歪材料２１の磁束密度の算出は、算出部３０で実行してもよい。

【0075】

またこのとき、ヨーク１３に保持されている磁歪材料２１は、引張り、圧力などの力は掛けることなく測定する。

【0076】

このような構成とすることで、印加磁場に対する磁歪材料２１の磁束密度を測定することができ、いわゆる、磁歪材料２１の磁化曲線（Ｂ－Ｈカーブ）を算出することができる。

【0077】

さらに、磁歪材料２１に対して引張り、圧縮など力をかけていないため、簡便かつ迅速に測定することができる。

【0078】

[装置の動作]
次に、以上のように構成された本変形例における磁歪材料の特性測定装置１００Ｂの動作について詳細に説明する。

【0079】

図９は、図８で示された磁歪材料の特性測定装置１００Ｂを用いて、計測コイル２２のインピーダンスを測定する方法、すなわち磁歪材料の特性測定方法のフローチャートである。以下のステップは、測定者またはプログラムに基づく制御部４０によって実行される。

【0080】

初めに、交流電流源５１が流す交流電流値、周波数を設定する（Ｓ２０）。励磁コイル１１は、所定の交流電流が流されることで、電流値と周波数に応じた第二磁場を発生させる（Ｓ２１）。励磁コイル１１により発生した磁場の磁束は、励磁コイル１１内のヨーク１３を通じ、ヨーク１３に保持された磁歪材料２１へと到達し、磁歪材料２１を磁化させる（Ｓ２２）。次に、変化する第二磁場における磁歪材料２１の磁束密度の変化（つまりＢ－Ｈカーブ）を測定する（Ｓ２３）。得られた磁化曲線（Ｂ－Ｈカーブ）を基に、ステップＳ１０の第一磁場を発生されるための直流電流値を設定する。

【0081】

さらに、繰り返し測定するためのステップＳ１６における直流電流値の変更についても、ステップＳ２３で得られた磁束密度を基に変更する。

【0082】

ここでステップＳ２３で示した磁化曲線を得るための具体的な手順を示す。

【0083】

ステップＳ２１で発生した第二磁場の強度を縦軸、時間を横軸とすると、ステップＳ２０で設定した交流電流値、周波数に従い、正弦関数を描く。上述したように、磁歪材料２１の磁束密度は、第二磁場の強度によって変化する。そのため、例えば、交流電流源５１の設定値を２００ｍＡ、０．１Ｈｚとし、０．１秒に１回の頻度で、サンプリングを実行することで、１０秒で１周期となり、０．１秒毎の第二磁場強度と対応する磁束密度を１００ポイントの測定結果を得ることができる。

【0084】

図１０は、図９のステップＳ２３で得られた第二磁場に対する磁歪材料２１の磁束密度の変化、いわゆる磁化曲線を表す図である。

【0085】

印加される第二磁場の強度の絶対値が増大するにつれて、磁束密度も増大し、一定強度以上の第二磁場が印加されると磁束密度の限界点である飽和磁束密度へ達する。このとき飽和磁束密度の２分の１となる磁束密度に対応する第二磁場の強度（以下Ｈ_Ｂと表す）を選定し、第一磁場の強度がＨ_Ｂとなるように励磁コイル１１へ流す電流値を設定し、図９に示すフローチャートのステップＳ１０へと測定を続ける。

【0086】

さらに、繰り返し測定するためのステップＳ１６における直流電流値の変更についても、ステップＳ２３で得られた磁束密度を基に変更する。具体的には、第一磁場の強度がＨ_Ｂに対して５０％、８０％、１２０％、１５０％となるように、励磁コイル１１へ流す電流値を変更して、計測コイル２２のインピーダンスを測定する。

【0087】

以上のように、実施の形態の変形例における磁歪材料の特性測定方法は、さらに、強度が連続的に変化する第二磁場を発生させる第二励磁ステップＳ２１と、第二磁場に置かれた磁歪材料２１における磁束密度を測定することで、磁化曲線を算出する磁化曲線算出ステップＳ２３とを含み、第一励磁ステップＳ１１では、磁化曲線算出ステップＳ２３で算出された磁化曲線に基づいて所定の強度を決定する。

【0088】

このような構成、及び方法とすることで、より、簡便かつ迅速に、磁歪材料２１の特性の磁場強度依存性を測定できる。具体的には、磁歪材料２１を用いた振動発電素子が動作する場合、その動作範囲で磁歪材料２１に加わる磁場が変化する。この磁場が変化する範囲で、高い力係数αを磁歪材料２１が持つ場合、振動発電素子は、高い電圧を発生する。すなわち、性能がよい振動発電素子となる。つまり、この動作磁場範囲での力係数αの数値を把握することができるため、より、簡便かつ迅速に、磁歪材料２１の特性の磁場強度依存性を測定できる。

【0089】

なお、実施の形態においては、効率よくかつ簡便に磁歪材料２１を励磁するために、励磁部として直流電流源１２、励磁コイル１１、Ｃの字型のヨーク１３を用いたが、他の方法を用いてもよい。例えば、Ｃの字型のヨーク１３の代わりに棒状の鉄心を用いてもよい。すなわち、棒状の鉄心の一部に励磁コイル１１を、磁歪材料２１に計測コイル２２を巻き付け、鉄心から磁歪材料２１へ磁束が向かう構造とすることも可能である。または、励磁コイル１１及びヨーク１３を用いないで、外部から磁場をかける装置により磁歪材料２１を励磁してもよい。さらには、磁歪材料２１を、ヨーク１３ではなく計測コイルで保持する構造でもよい。すなわち、ヨーク１３と接触させないが、励磁磁場の影響を実質的に受け得る距離において、計測することも可能である。こうすることでヨーク１３と磁歪材料２１の摩擦を抑制する効果がある。

【0090】

さらに、磁歪材料２１の形状は板状に限らず、棒状などほかの形状を用いてもよい。

【0091】

また、図２、９のフローチャートにて第一磁場の強度を変更しながら繰返し測定を実行することを示した。この繰返し数は、実施の形態の変形例については、第一磁場の強度が、Ｈ_Ｂに対して５０％、８０％、１００％、１２０％、１５０％の５回としたが、任意の回数であって構わない。繰り返し数が少ない場合は、より簡便かつ迅速に測定が可能となり、多い場合は、より精密な測定が可能となる。さらに、第一磁場の強度の値も上記に限定されるものではない。

【0092】

実施の形態においては、算出部３０、及び制御部４０は別体のパーソナルコンピューターとしてあらわしたが、同一のパーソナルコンピューターを用いて、それぞれの動作を実行させてもよい。また、算出部３０、及び制御部４０はパーソナルコンピューター以外のハードウェアを用いて実行してもよい。

【0093】

また、等価質量は有限要素法の静解析と共振解析により事前に計算したが、その他の方法を用いてもよい。例えば、実施の形態で開示した磁歪材料２１の特性測定をする際に、磁歪材料２１へ既知の質量のおもりを積載し、複数回測定すれば、計測することもできる。

【産業上の利用可能性】

【0094】

本発明は、運動と磁気に関する機器等、例えば、振動発電装置、アクチュエータなどに適用できる磁歪材料の特性を測定する装置として、有用である。優れた特性を有する磁歪材料の選定に特に高い効果を発揮する。

【符号の説明】

【0095】

１０ 第一励磁部
１１ 励磁コイル
１２ 直流電流源
１３ ヨーク
２０ インピーダンス測定部
２１ 磁歪材料
２２ 計測コイル
２３ インピーダンスアナライザー
３０ 算出部
３１ ディスプレイ
４０ 制御部
４１ ディスプレイ
５０ 第二励磁部
５１ 交流電流源
６０ 磁束算出部
６１ ＤＣアンプ
６２ 電圧計
７１、７２ スイッチ
１００Ａ 磁歪材料の特性測定装置
１００Ｂ 磁歪材料の特性測定装置

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】