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発電素子およびセンサ 新技術説明会

国内特許コード P200017023
整理番号 N19102,(N18105)
掲載日 2020年7月9日
出願番号 特願2020-052571
公開番号 特開2020-161820
出願日 令和2年3月24日(2020.3.24)
公開日 令和2年10月1日(2020.10.1)
優先権データ
  • 特願2019-056344 (2019.3.25) JP
発明者
  • 劉 小晰
出願人
  • 国立大学法人信州大学
発明の名称 発電素子およびセンサ 新技術説明会
発明の概要 【課題】微弱な振動や応力を高感度に検出しエネルギーハーベストが可能な自己発電式の発電素子およびこれを応用した振動、応力・歪に関するセンサを提供する。
【解決手段】磁歪を有する短冊状の磁性膜にコイルを周回した発電素子において、短冊状の磁性膜の長手方向と交差する方向に誘導磁気異方性の磁化容易軸を付与することによって磁性膜の磁気異方性を低減させ、微弱な振動や力に対しても高感度に磁化の変化を生じさせ高い誘導起電力を得て発電する。
【選択図】図1
従来技術、競合技術の概要

逆磁歪効果は、外部から応力が負荷されて生じる歪により強磁性体内の磁化の強さが変化する現象である。近年、この逆磁歪効果を利用した振動発電や力センサの技術が注目を集めている。

これまで試みられているものとして、例えば、特許文献1には、Fe-Si-B(鉄-ケイ素-ホウ素)系アモルファス合金の磁歪薄帯に導電配線パターンのコイルを巻回し、振動からの磁歪薄帯の磁化の変化を検出して電力を発生する振動発電素子が開示されている。誘導起電力による発電であり、振動エネルギーを電力に変換するエネルギーハーベスティング技術の一つである。自己発電が可能である。

また、特許文献2には、Fe-Co-B(鉄-コバルト-ホウ素)などのホウ素を含むアモルファス合金の強磁性膜を磁化自由層とし、磁気抵抗効果(MR効果、Magneto-Resistance Effect)を利用して歪を電気抵抗の変化に変換する技術が開示されている。

しかしながら、特許文献1の振動発電素子は、磁歪薄帯の厚さが25μmと厚く、しかも複数枚の磁歪薄帯を使用している。このため、その剛性から微弱な振動や応力に対して感度が低いという欠点があった。一方、特許文献2の磁気抵抗効果を利用する方法では、磁化自由層の膜厚は4nmで他のピンニング層やキャップ層も含めても素子のトータル膜厚は約90nmと薄い。しかし、この方法では抵抗変化を電圧に変換する電流源が別途必要であり、自己発電式の無電源センサへの応用は困難であった。

産業上の利用分野

本発明は、発電素子およびセンサに関し、特に強磁性材料の逆磁歪効果を利用した発電素子およびセンサに関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
磁歪を有する短冊状の磁性膜と、
前記磁性膜を周回する導体層からなるコイルと、
前記磁性膜と前記導体層の間に設けられた絶縁層とを備え、
前記磁性膜は膜面内において前記磁性膜の長手方向に交差する方向に磁化容易軸を有することを特徴とする発電素子。

【請求項2】
変形可能な基板上に形成されていることを特徴とする請求項1記載の発電素子。

【請求項3】
前記磁性膜の厚さが20nm~1μmであることを特徴とする請求項1または2記載の発電素子。

【請求項4】
前記磁性膜が面心立方格子構造を持つ金属層とFeCo層の積層膜を含むことを特徴とする請求項1~3いずれか1項記載の発電素子。

【請求項5】
前記コイル内に前記磁性膜が複数あることを特徴とする請求項1~4いずれか1項記載の発電素子。

【請求項6】
前記磁性膜の幅が複数種類あることを特徴とする請求項5記載の発電素子。

【請求項7】
前記磁性膜が膜面内において前記磁性膜の長手方向に対して40°~50°の角度範囲内で交差する方向に磁化容易軸を有することを特徴とする請求項1~6いずれか1項記載の発電素子。

【請求項8】
前記磁性膜の長手方向と幅方向のアスペクト比が100よりも大きく形成され、
前記コイルは、前記磁性膜の長手方向の両端側領域上に、互いに逆方向に周回された状態で直列に接続されて形成されていることを特徴とする請求項7記載の発電素子。

【請求項9】
前記コイルが前記磁性膜の長手方向の両端側領域上に互いに逆方向に周回された状態で直列に接続されて形成された単位素子が、前記コイルが直列に接続された状態で複数個配列されたことを特徴とする請求項8記載の発電素子。

【請求項10】
請求項1~9いずれか1項記載の発電素子を備えるセンサ。
国際特許分類(IPC)
Fターム
  • 5H681AA06
  • 5H681BB08
  • 5H681DD30
  • 5H681GG10
  • 5H681GG42
画像

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JP2020052571thum.jpg
出願権利状態 公開
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