JP7615446B2 - Power generation device, method for producing magnetic hard viscoelastic material, and method for using the power generation device - Google Patents
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Description
特許法第30条第2項適用 (1)平成29年3月9日 同志社大学、京都ノルウェーセンター主催の第9回KIFEE国際フォーラムポスターセッションで発表(2)平成29年5月18日 日本AEM学会発行の第29回「電磁力関連のダイナミックス」シンポジウム講演論文集に発表Article 30,
本発明は、外力を受けて発電する発電ディバイスに関するとともに、その発電ディバイスに使用する粘弾性材料に関し、さらに、この発電ディバイスを使用する方法に関する。 The present invention relates to a power generation device that generates electricity when subjected to an external force, to a viscoelastic material used in the power generation device, and to a method for using the power generation device.
現今、磁性エラストマー(磁性を有する粘弾性材料)と呼ばれる機能性材料が注目されている。この材料は、たとえば、シリコーンゲル等の粘弾性材料に鉄粉等の磁性微粒子を分散・硬化させたものであり、粘弾性と磁性との二つの性質を兼ね備える。この種の機能性材料は、外部磁場によって弾性率が変化し、また変形を誘起されるため、ソフトアクチュエータ,振動アブソーバー等の応用研究が盛んに行われている。
この種の機能性材料の用途として、ファラデーの電磁誘導による振動発電も注目されている(非特許文献1)。
Recently, a functional material called magnetic elastomer (a viscoelastic material with magnetism) has been attracting attention. This material is made by dispersing and hardening magnetic particles such as iron powder in a viscoelastic material such as silicone gel, and has both viscoelasticity and magnetism. This type of functional material has a change in elasticity and deformation due to an external magnetic field, so research into applications such as soft actuators and vibration absorbers is actively being conducted.
One application of this type of functional material that has attracted attention is vibration power generation using Faraday's electromagnetic induction (Non-Patent Document 1).
一方、発明者等は、ソフトアクチュエータ,振動アブソーバーへの応用を目的として、「磁気粘弾性材料」と呼ぶ、材料自体に保磁力を有する機能性材料を提案している(特許文献1)。
この機能性材料は、粘弾性材料内に強磁性微粒子が均一に分散された状態となっているため、どこを切り取っても同じ磁性(保磁力)を備える。結果、薄くスライスすることも可能であり、粘弾性を有する薄膜永久磁石として人工筋肉のような大変形が必要とされる用途にも使用することができる。
Meanwhile, the inventors have proposed a functional material called a "magnetorheological material" that has a coercive force in itself, for application to soft actuators and vibration absorbers (Patent Document 1).
This functional material has ferromagnetic particles uniformly dispersed within a viscoelastic material, so no matter where you cut it, it has the same magnetic properties (coercive force).As a result, it can be sliced thinly, and can be used as a viscoelastic thin-film permanent magnet in applications that require large deformation, such as artificial muscles.
しかしながら、非特許文献1に開示の磁性エラストマーでは、その磁性微粒子が鉄を主成分とするため、発電ディバイスとする場合、磁性微粒子を磁化する永久磁石(外部永久磁石)が別途必要となる。発電ディバイスが重量化するとともに大型化する。よって、改善の余地がある。
However, in the magnetic elastomer disclosed in
一方、特許文献1に開示の技術は、ソフトアクチュエータ,振動アブソーバーへの応用等、その形状選択性の容易さ、変形の容易さ等を利用する用途提案がされているにすぎず、発電ディバイスとしては検討の余地がある。
On the other hand, the technology disclosed in
上記実情に鑑み、本発明の主たる課題は、粘弾性材料内に強磁性粒子が分散された粘弾性体を使用して、小型・軽量な構造の発電ディバイスを得ることにあり、更なる課題は、その発電ディバイスに好適に使用することができる粘弾性材料を得る、また、発電ディバイスの好適な用途を提案することにある。 In view of the above circumstances, the main objective of the present invention is to obtain a power generation device with a small and lightweight structure by using a viscoelastic body in which ferromagnetic particles are dispersed, and a further objective is to obtain a viscoelastic material that can be suitably used in the power generation device, and to propose suitable uses for the power generation device.
本発明に係る発電ディバイスの第1特徴構成は、
着磁状態にある強磁性粒子が粘弾性材料内に分散された磁気的硬質粘弾性材料を成形してなり、保磁力を有する磁気粘弾性体と、
外力を受けて前記磁気粘弾性体を変形させる磁気粘弾性体変形手段と、
前記磁気粘弾性体の変形により空間分布が変化する磁束により、内部に誘導電流を発生する誘導電流発生手段とを備え、
前記誘導電流発生手段に発生する前記誘導電流を出力する出力手段を備え、
前記強磁性粒子が、希土類を主成分とする強磁性粒子であるとともに、
前記粘弾性材料が、常温で粘弾性を示す高分子材料である点にある。
A first characteristic configuration of the power generating device according to the present invention is as follows:
a magnetic viscoelastic body having a coercive force, the magnetic viscoelastic body being formed by molding a magnetically hard viscoelastic material in which magnetized ferromagnetic particles are dispersed within the viscoelastic material;
a magnetic viscoelastic body deformation means for deforming the magnetic viscoelastic body by receiving an external force;
an induced current generating means for generating an induced current therein by a magnetic flux whose spatial distribution changes due to the deformation of the magnetic viscoelastic body;
an output means for outputting the induced current generated by the induced current generating means,
the ferromagnetic particles are ferromagnetic particles mainly composed of rare earth elements,
The viscoelastic material is a polymeric material that exhibits viscoelasticity at room temperature.
この発電ディバイスは、磁気粘弾性体、磁気粘弾性体変形手段、誘導電流発生手段及び出力手段を備えて構成される。結果、磁気粘弾性体変形手段を介して、外力により磁気粘弾性体が変形されると、変形に伴って誘導電流発生手段に誘導電流が誘起される。そして、出力手段によりこの誘導電流を取り出して利用することができる。 This power generation device is configured with a magnetic viscoelastic body, a magnetic viscoelastic body deformation means, an induced current generation means, and an output means. As a result, when the magnetic viscoelastic body is deformed by an external force via the magnetic viscoelastic body deformation means, an induced current is induced in the induced current generation means in response to the deformation. This induced current can then be extracted and utilized by the output means.
ここで、強磁性粒子を希土類を主成分とすることで、磁気粘弾性体が示す保磁力を充分高い状態とすることが可能となり、同時に、粘弾性材料を常温で粘弾性を示す高分子材料とすることで、常温におけるその変形能を高く保って、大きな変形を発生させることが可能となる。結果、磁気粘弾性体周りの磁束が大きく変化し、実質的に、磁気粘弾性体、磁気粘弾性体変形手段、誘導電流発生手段及び出力手段を備えるだけの、簡単な構成で、軽量、小型の発電ディバイスを構築できる。さらに、磁気粘弾性体は任意の形状に成形できるため、本発明の発電ディバイスは非常に広い用途に採用可能となる。
本発明における「磁気的硬質」の概念は、保磁力が大きく永久磁石としての性質を備えることを意味する。
Here, by using rare earth as the main component of the ferromagnetic particles, it is possible to make the coercive force exhibited by the magnetorheological body sufficiently high, and at the same time, by using a polymeric material exhibiting viscoelasticity at room temperature as the viscoelastic material, it is possible to maintain the high deformability at room temperature and generate a large deformation. As a result, the magnetic flux around the magnetorheological body changes significantly, and a lightweight and small power generating device can be constructed with a simple configuration that essentially includes only the magnetorheological body, the magnetorheological body deformation means, the induced current generating means, and the output means. Furthermore, since the magnetorheological body can be molded into any shape, the power generating device of the present invention can be used in a very wide range of applications.
The concept of "magnetically hard" in the present invention means that the material has a large coercive force and has the properties of a permanent magnet.
本発明の発電ディバイスの第2特徴構成は、
前記強磁性粒子が平均粒子径100μm以下のネオジム磁石粒子であり、
前記誘導電流発生手段がコイルである点にある。
A second characteristic configuration of the power generating device of the present invention is
The ferromagnetic particles are neodymium magnet particles with an average particle size of 100 μm or less,
The induced current generating means is a coil.
ネオジム磁石粒子は、その主相がNd2Fe14Bからなり、特に強い磁石となっている。さらに、粘弾性材料内に分散させるに際して、その平均粒子径を100μm以下とすることより、材料内にほぼ均等に分散させることが可能となり、後の成形に際しても使用勝手が良い。さらに、誘導電流発生手段をコイルで構成することで、最も簡易且つ安価に、磁気粘弾性体周りの磁束の変化に追随して発生される誘導電流を取り出すことが可能となる。 The neodymium magnet particles have a main phase of Nd2Fe14B , which makes them a particularly strong magnet. Furthermore, when dispersed in the viscoelastic material, the average particle size is set to 100 μm or less, which allows the particles to be dispersed almost uniformly in the material, making it easy to use in subsequent molding. Furthermore, by configuring the induced current generating means with a coil, it is possible to most simply and inexpensively extract the induced current that is generated in response to changes in the magnetic flux around the magnetic viscoelastic body.
本発明の発電ディバイスの第3特徴構成は、
前記粘弾性材料に対する前記強磁性粒子の配合割合が、重量割合で40~90wt%の範囲内にある点にある。
A third characteristic configuration of the power generating device of the present invention is
The blending ratio of the ferromagnetic particles to the viscoelastic material is within a range of 40 to 90 wt % by weight.
この構成を採用することにより、本発明に係る発電ディバイスを構築するに、その磁気特性、粘弾性において過不足のない磁気粘弾性体を得ることができる。重量割合が40wt%未満の場合は、強磁性粒子が不足気味となり、本来、所定の容積に対して好適に得られる表面磁束密度を充分に確保することができない場合が生じる。一方、90wt%を超えると、分散・混合物である磁気粘弾性体が硬くなり、変形量が不足しやすい。
さらに、この重量割合としては、40wt%~70wt%が好ましい。70wt%以下とすることで、強磁性粒子の量を制限でき、材料の粘弾性を保ちながら所要の保持力を得ることができる。
By adopting this configuration, a magnetic viscoelastic body with the right magnetic properties and viscoelasticity can be obtained to construct a power generating device according to the present invention. If the weight ratio is less than 40 wt%, the ferromagnetic particles tend to be insufficient, and the surface magnetic flux density that is originally preferably obtained for a given volume may not be sufficiently secured. On the other hand, if the weight ratio exceeds 90 wt%, the magnetic viscoelastic body, which is a dispersion or mixture, becomes hard and the deformation amount is easily insufficient.
Furthermore, the weight percentage is preferably 40 wt % to 70 wt %. By setting the weight percentage at 70 wt % or less, the amount of ferromagnetic particles can be limited, and the required holding force can be obtained while maintaining the viscoelasticity of the material.
これまで説明してきた発電ディバイスを構成する磁気粘弾性体の構成材料(本発明において「磁気的硬質粘弾性材料」と呼び、粘弾性を備えた材料で、材料自体が高い保磁力
(永久磁石としての磁力)と残留磁束密度を有する)の製造は、以下の手法とすることが好ましい。
The magnetic viscoelastic material constituting the power generating device described above (referred to as a "magnetically hard viscoelastic material" in this invention, which is a material with viscoelasticity and which itself has high coercive force (magnetic force as a permanent magnet) and residual magnetic flux density) is preferably manufactured by the following method.
即ち、本発明の発電ディバイスの第4特徴構成は、
前記磁気的硬質粘弾性材料を、硬化処理前の粘弾性材料に、希土類を主成分とする100μm以下の平均粒子径を有する強磁性粒子を分散させて一次前駆体を得る分散工程と、前記分散工程で得られた前記一次前駆体を硬化して二次前駆体を得る硬化工程と、前記硬化工程で得られた前記二次前駆体に1.5T以上の一様な磁場を印加して前記強磁性粒子に着磁させる着磁工程と、を含む製造方法により製造した材料とすることができる。
That is, a fourth characteristic configuration of the power generating device of the present invention is
The magnetic hard viscoelastic material can be a material produced by a production method including a dispersion step of dispersing ferromagnetic particles having an average particle size of 100 μm or less, mainly composed of rare earth, in a viscoelastic material before a curing treatment to obtain a primary precursor, a hardening step of hardening the primary precursor obtained in the dispersion step to obtain a secondary precursor, and a magnetization step of applying a uniform magnetic field of 1.5 T or more to the secondary precursor obtained in the hardening step to magnetize the ferromagnetic particles.
分散工程、硬化工程及び着磁工程を経て、粘弾性材料内に分散する強磁性粒子を良好に着磁して、強い保磁力と残留磁束密度を備え、且つ粘弾性を有する永久磁石(磁気的硬質粘弾性材料)を使用して、優れた性能の発電ディバイスを得ることができる。 Through the dispersion process, hardening process and magnetization process, the ferromagnetic particles dispersed in the viscoelastic material are successfully magnetized, and a permanent magnet (magnetically hard viscoelastic material) with strong coercive force, residual magnetic flux density and viscoelasticity can be used to obtain a power generation device with excellent performance.
さらに、本発明の発電ディバイスの第5特徴構成は、
前記強磁性粒子が磁気異方性を有する点にある。
Furthermore, a fifth characteristic configuration of the power generating device of the present invention is
The ferromagnetic particles have magnetic anisotropy.
この構成を採用することにより、同一量の強磁性粒子を粘弾性材料に分散させて、成形体とする場合に、磁気粘弾性体周りの磁束を強力なもの(表面磁束密度が高くなる)とでき、発電ディバイスの能力において、磁気異方性を事実上有しない強磁性粒子を使用する場合より、高性能とできる。結果、強磁性粒子の量を低減でき、発電ディバイスの小型化を達成できる。 By adopting this configuration, when the same amount of ferromagnetic particles are dispersed in a viscoelastic material and formed into a molded body, the magnetic flux around the magnetic viscoelastic body can be made stronger (the surface magnetic flux density becomes higher), and the power generation device can have higher performance than when ferromagnetic particles that have virtually no magnetic anisotropy are used. As a result, the amount of ferromagnetic particles can be reduced, achieving a smaller power generation device.
本発明の磁気的硬質粘弾性材料の製造方法の第1の特徴構成は、
硬化処理前の粘弾性材料に、希土類を主成分とする100μm以下の平均粒子径を有する強磁性粒子を分散させて一次前駆体を得る分散工程と、
前記分散工程で得られた前記一次前駆体に一様な磁場を印加して前記強磁性粒子に着磁させる着磁処理と、当該一次前駆体を硬化する硬化処理と、を同時若しくは順次実行する着磁硬化工程と、を含む点にある。
The first characteristic feature of the method for producing a magnetic hard viscoelastic material of the present invention is as follows:
a dispersion step of dispersing ferromagnetic particles having an average particle size of 100 μm or less, mainly composed of rare earth elements, in a viscoelastic material before a curing treatment to obtain a primary precursor;
The present invention is characterized in that it includes a magnetization hardening process in which a uniform magnetic field is applied to the primary precursor obtained in the dispersion process to magnetize the ferromagnetic particles, and a hardening process in which the primary precursor is hardened, the magnetization hardening process being carried out simultaneously or sequentially.
この構成では、分散工程を経て一次前駆体を得るところまでは、先に説明した例と同じである。即ち、一次前駆体は、硬化処理前の粘弾性材料に強磁性粒子を分散させた状態にあり、事実上、流動性を有する。結果、粘弾性材料内で強磁性粒子はある程度、移動、姿勢変更可能となっている。先にも示したように、この一次前駆体では、強磁性粒子の粒子径が100μm以下であるため、撹拌等の分散処理により、粘弾性材料内での粒子を均等な分散状態とすることが可能となる。また、その粒子は希土類を主成分とするため、強い磁力を保持することができる。 In this configuration, the process of obtaining the primary precursor through the dispersion process is the same as the example described above. That is, the primary precursor is in a state where ferromagnetic particles are dispersed in the viscoelastic material before the curing process, and in fact has fluidity. As a result, the ferromagnetic particles can move and change their position to a certain extent within the viscoelastic material. As described above, in this primary precursor, the particle diameter of the ferromagnetic particles is 100 μm or less, so it is possible to make the particles evenly dispersed within the viscoelastic material by a dispersion process such as stirring. In addition, since the particles are mainly composed of rare earths, they can retain a strong magnetic force.
さて、分散工程に引き続いて実行する着磁硬化工程においては、着磁処理と硬化処理とを同時に実行する、或は、順次おこなう。
即ち、事実上、強磁性粒子が、ある程度、移動・姿勢変更可能な状態で、一次前駆体を磁界内に配置する着磁処理を行うと、多数の強磁性粒子は、粒子単体単位では着磁されるとともに、これら粒子の多数が、磁束の方向に並んだ柱状構造体が生成される。図6、図15に、模式的にその柱状構造を示した。そして、硬化処理により、この柱状構造を保持できる。
結果、この製造方法を実施することにより、粘弾性を有しながら、その占有容積単位でみて、高い保磁性能を有する磁気的硬質粘弾性材料を得ることができる。
さて、後に示すように、本明細書においては、強磁性粒子としてこの粒子自体の磁気モーメントが方向性を有しない磁気等方性の粒子と方向性を有する磁気異方性の粒子との両方について、その検討結果を紹介する。
ここで、分散工程を得られる一次前駆体は、粒子が磁気等方性或いは磁気異方性であるに関わらず等方性となる。
そして、この一次前駆体を硬化処理した後、着磁処理する場合は、得られる結果物は等方性を維持した磁気的硬質粘弾性材料となる。一方、この一次前駆体の処理において、着磁処理をともなって硬化を進めると、先に説明した柱状構造とでき、異方性を有する磁気的硬質粘弾性材料を得ることができる。
In the magnetization and hardening process which follows the dispersion process, the magnetization treatment and hardening treatment are carried out simultaneously or sequentially.
That is, when the primary precursor is placed in a magnetic field and magnetized while the ferromagnetic particles are in a state where they can move and change their posture to some extent, many ferromagnetic particles are magnetized individually, and a columnar structure is generated in which many of these particles are aligned in the direction of the magnetic flux. The columnar structure is shown in Fig. 6 and Fig. 15. The columnar structure can be maintained by hardening treatment.
As a result, by carrying out this manufacturing method, it is possible to obtain a magnetically hard viscoelastic material that has viscoelasticity and high coercivity in terms of the volume occupied by it.
As will be described later, this specification presents the results of investigations into both magnetically isotropic particles, in which the magnetic moment of the particle itself has no directionality, and magnetically anisotropic particles, in which the magnetic moment has directionality, as ferromagnetic particles.
Here, the primary precursor resulting from the dispersion step becomes isotropic regardless of whether the particles are magnetically isotropic or magnetically anisotropic.
If the primary precursor is hardened and then magnetized, the resulting product will be a magnetically hard viscoelastic material that maintains isotropy. On the other hand, if the primary precursor is hardened while being magnetized, the columnar structure described above can be obtained, resulting in a magnetically hard viscoelastic material with anisotropy.
この磁気的硬質粘弾性材料の製造方法の第2の特徴構成は、
前記着磁硬化工程において、前記着磁処理と前記硬化処理とを同時に行う予備着磁硬化完了工程と、前記予備着磁硬化完了工程を経て得られる予備着磁硬化完了体に、当該予備着磁硬化完了工程における着磁磁場より強い磁場を印加して、前記強磁性粒子の着磁を完了する本着磁工程とを、含む点にある。
The second characteristic feature of the method for producing the magnetic hard viscoelastic material is as follows:
The magnetization hardening process includes a preliminary magnetization hardening completion process in which the magnetization treatment and the hardening treatment are performed simultaneously, and a main magnetization process in which a magnetic field stronger than the magnetization magnetic field in the preliminary magnetization hardening completion process is applied to the preliminary magnetization hardening completed body obtained through the preliminary magnetization hardening completion process to complete the magnetization of the ferromagnetic particles.
この構成では、着磁硬化工程を、予備着磁硬化完了工程と本着磁工程との2工程を含むものとするが、予備着磁硬化完了工程では、ある程度の磁場内に一次前駆体を配して、強磁性粒子の配向状態(柱状構造となる)を確保する。そして、なお高い着磁状態を得たい場合に、本着磁工程を実行して、所望の高い着磁状態とする。
結果、強磁性粒子の粘弾性材料内での配置、及び、その着磁量において非常に高い磁気的硬質粘弾性材料を得ることができる。
In this configuration, the magnetization hardening process includes two steps, a preliminary magnetization hardening completion step and a main magnetization step, in which the primary precursor is placed in a certain degree of magnetic field to ensure the orientation of the ferromagnetic particles (to form a columnar structure). If an even higher magnetization state is desired, the main magnetization step is carried out to achieve the desired high magnetization state.
As a result, it is possible to obtain a magnetically hard viscoelastic material in which the ferromagnetic particles are arranged in the viscoelastic material and in which the amount of magnetization is extremely high.
また、本発明の磁気的硬質粘弾性材料の製造方法の第3の特徴構成は、
前記強磁性粒子が磁気異方性を有する点にある。
The third characteristic feature of the method for producing a magnetic hard viscoelastic material of the present invention is as follows:
The ferromagnetic particles have magnetic anisotropy.
この構成を採用することにより、同一量の強磁性粒子を粘弾性材料に分散させて、成形体とする場合に、磁気粘弾性体周りの磁場を強力なものとでき、発電ディバイスの能力において、磁気異方性を事実上有しない強磁性粒子を使用する場合より、高性能を備えたものとできる。 By adopting this configuration, when the same amount of ferromagnetic particles is dispersed in a viscoelastic material and formed into a molded body, the magnetic field around the magnetic viscoelastic body can be made stronger, resulting in a power generation device with higher performance than when ferromagnetic particles that have virtually no magnetic anisotropy are used.
そして、これら第1~第3の特徴構成の磁気的硬質粘弾性材料の製造方法により製造される磁気的硬質粘弾性材料を所定の形状に成形して、その成形体を発電ディバイスの磁気粘弾性体として採用することで、高い発電性能を有する発電ディバイスを得ることができる。 The magnetically hard viscoelastic material produced by the magnetically hard viscoelastic material manufacturing method having the first to third characteristic configurations can be molded into a predetermined shape and the molded body can be used as the magnetic viscoelastic body of a power generation device, thereby obtaining a power generation device with high power generation performance.
さて、これまで説明しきた発電ディバイスは、構成主体である磁気粘弾性体が柔軟であるため、その使用方法として、前記磁気粘弾性体変形手段を介して、周波数50Hz以下の周期で変動する外力により前記磁気粘弾性体を周期的に変形させて発電する発電ディバイスの使用方法とすることが好ましい。 The power generation device described so far is preferably used in such a way that the magnetic viscoelastic body, which is the main component of the device, is flexible, and thus the magnetic viscoelastic body is periodically deformed by an external force that fluctuates at a frequency of 50 Hz or less via the magnetic viscoelastic body deformation means to generate power.
磁気弾性体が粘弾性体として挙動するため、特に低周波数の外力変動に対応できるためである。 This is because magnetoelastic materials behave as viscoelastic materials and can therefore respond to external force fluctuations, particularly at low frequencies.
以下、図面に基づいて、1.発電ディバイス100の構成、2.発電ディバイス100で使用する磁気粘弾性体1の製造プロセス、3.発電ディバイス100の発電試験結果の順に説明する。
The following will be explained with reference to the drawings in the following order: 1. The configuration of the
本明細書では、発電ディバイス100を構成する主要素である磁気粘弾性体1の材料(本発明における磁気的硬質粘弾性材料s)については、その製造方法として二種の製造方法(「第1製造方法」、「第2製造方法」)を紹介する。
In this specification, two manufacturing methods ("first manufacturing method" and "second manufacturing method") are introduced for the material of the magnetic viscoelastic body 1 (magnetic hard viscoelastic material s in this invention), which is the main element constituting the
第1製造方法、第2製造方法に関し、1.発電ディバイス100の構成は共通となる。一方、2.発電ディバイス100で使用する磁気粘弾性体1の製造プロセスは、第1製造方法、第2製造方法で異なる。これら異なった各製造方法を使用して、強磁性粒子pとして、その極性が磁気等方性のものと磁気異方性のものとの両方を検討した。そこで、3.発電ディバイス100の発電試験結果については、先ず、磁気等方性のものを使用して、第1製造方法、第2製造方法で製造した結果を3.2.1に示し、3.2.2に、磁気異方性のものを使用した場合の第1製造方法、第2製造方法で製造した結果を示す。
Regarding the first and second manufacturing methods, the configuration of 1. the
第1製造方法の特徴は、磁気的硬質粘弾性材料sの製造を、a,強磁性粒子pの粘弾性体eへの分散・混合(後述する分散工程S1)、b.一次前駆体である混合物の硬化・成形(後述する硬化工程S2)、c. 強磁性粒子pの着磁(後述する着磁工程S3)の順に行う点にある。 The first manufacturing method is characterized in that the magnetically hard viscoelastic material s is manufactured in the following order: a. Dispersion and mixing of ferromagnetic particles p into a viscoelastic body e (dispersion step S1, described later); b. Hardening and molding of the mixture, which is the primary precursor (hardening step S2, described later); c. Magnetization of the ferromagnetic particles p (magnetization step S3, described later).
第2製造方法の特徴は、磁気的硬質粘弾性材料sの製造を、a,強磁性粒子pの粘弾性体eへの分散・混合(後述する分散工程S10)を行った後、b.一次前駆体である混合物に含まれる強磁性粒子pの配向・着磁と、一次前駆体の硬化・成形を同時に行い、さらに強磁性粒子pの着磁を行う(後述する着磁硬化工程S20)点にある。 The second manufacturing method is characterized in that the magnetically hard viscoelastic material s is manufactured by a. dispersing and mixing ferromagnetic particles p into a viscoelastic body e (dispersion step S10, described later), and b. simultaneously orienting and magnetizing the ferromagnetic particles p contained in the mixture, which is the primary precursor, and hardening and molding the primary precursor, and further magnetizing the ferromagnetic particles p (magnetization and hardening step S20, described later).
1.発電ディバイスの構成
図1に、発電ディバイス100の構成を示した。
発電ディバイス100は、磁気的硬質粘弾性材料sを所定の形状に成形してなり、それ自体が磁力を有する磁気粘弾性体1と、外力を受けて磁気粘弾性体1を変形される磁気粘弾性体変形手段と、磁気粘弾性体1の変形に伴って誘導電流を発生する誘導電流発生手段と、この誘導電流発生手段に発生する電流を出力する出力手段を備えて構成されている。
1. Configuration of the Power Generation Device FIG.
The
図1に示す例では、磁気粘弾性体1は、概略円柱状に成形された成形体とされており、その円柱両端に、平板状の外力伝達部材2を磁気粘弾性体変形手段として備えて構成されている。図示する例では、外力伝達部材2に下方向にかかる外力Fにより、磁気粘弾性体1が変形圧縮される。その変形量は、例えば、円柱径が18mm、高さが18mmの磁気粘弾性体1において最大10mm程度とできる。
In the example shown in FIG. 1, the magnetic
磁気粘弾性体1の外周部位には、この磁気粘弾性体1の変形とは独立に、誘導電流発生手段としてのコイル(巻線コイル)3が配置されている。この構成において、磁気粘弾性体1が外力を受けて変形すると、変形に伴って磁気粘弾性体1周りの磁束が変化することにより、コイル3内に誘導電流が発生する。発生した電流は、コイル両端から出力され、電気的に接続された負荷5により利用する。負荷5としては、発電電力を蓄積する電力蓄積ディバイス、発電電力を消費する電力消費ディバイス等を挙げることができる。従って、コイル3と負荷5との間を接続する接続線4が、本発明における出力手段となる。
A coil (winding coil) 3 is arranged around the outer periphery of the magnetic
以上の説明からも明らかなように、本発明の発電ディバイス100では、磁気粘弾性体1自体が磁力を有する(永久磁石としての特性を有する)ため、従来技術で必要とされた外部磁石(図外)を備える必要はない。即ち、磁気粘弾性体1、磁気粘弾性体変形手段2と、誘導電流発生手段3とを備えた、ごく簡単な構造となる。
As is clear from the above explanation, in the
2.磁気粘弾性体の製造
試験には、粘弾性材料e及び強磁性粒子pとして以下の材料を使用した。
粘弾性材料eは、常温で粘弾性を示す高分子材料であり、以下に示す例では、シリコーンゲル(モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・ジャパン社製 TSE3062)を使用した。シリコーンゲルは、硬化剤の添加、加熱処理によりある程度硬化するが、その硬化処理後においても、常温に戻り粘弾性を保持する。
2. Production of magnetorheological body In the test, the following materials were used as the viscoelastic material e and the ferromagnetic particles p.
Viscoelastic material e is a polymeric material that exhibits viscoelasticity at room temperature, and in the example shown below, silicone gel (TSE3062 manufactured by Momentive Performance Materials Japan, Inc.) was used. Silicone gel hardens to a certain extent by adding a hardener and heating it, but even after the hardening process, it returns to room temperature and retains its viscoelasticity.
強磁性粒子pは、希土類を主成分とする強磁性粒子であり、本実施形態においては、国内で入手可能なネオジム磁粉を使用した。「NdFeB磁粉」として流通するネオジム磁石の粉状体である。以下に示す実施形態では、強磁性粒子pについて、磁気等方性のものと磁気異方性のものとを示すが、磁気等方性のものを「NdFeB磁粉等方性」と、磁気異方性のものを「NdFeB磁粉異方性」と記載する。これら「NdFeB磁粉」は、例えば、マグネクエンチ社、愛知製鋼社、日立金属社、三菱マテリアル社から入手可能であった。マグネクエンチ社から入手可能な「NdFeB磁粉等方性」はMQFP14-12-20000-089であり、「NdFeB磁粉異方性」はMQA38-14-20077-065である。 The ferromagnetic particles p are ferromagnetic particles whose main component is rare earth, and in this embodiment, neodymium magnetic powder available in Japan was used. It is a powder of neodymium magnet distributed as "NdFeB magnetic powder". In the embodiment shown below, magnetically isotropic and magnetically anisotropic ferromagnetic particles p are shown, with the magnetically isotropic ones being described as "NdFeB magnetic powder isotropic" and the magnetically anisotropic ones being described as "NdFeB magnetic powder anisotropic". These "NdFeB magnetic powders" were available from, for example, Magnequench, Aichi Steel, Hitachi Metals, and Mitsubishi Materials. The "NdFeB magnetic powder isotropic" available from Magnequench is MQFP14-12-20000-089, and the "NdFeB magnetic powder anisotropic" is MQA38-14-20077-065.
図2に第1製造方法に係る磁気粘弾性体1の製造プロセスを示し、図4に、第2製造方法に係る磁気粘弾性体1の製造プロセスを示した。
これら実施形態の製造プロセスは、磁気的硬質粘弾性材料sの製造に伴って、その材料sを好適な形状に成形する例としている。即ち、例示する製造プロセスにおいては、硬化工程において磁気粘弾性体1への成形も行う。そこで、図2、図4では、表記上、硬化工程S2或は予備着磁硬化完了工程S21の下に括弧付きで成形工程と示した。
FIG. 2 shows a manufacturing process of the magnetic
The manufacturing processes of these embodiments are examples of forming the magnetically hard viscoelastic material s into a suitable shape in conjunction with the production of the material s. That is, in the illustrated manufacturing processes, the magnetically hard
2.1 第1製造方法
図2に示すように、この実施形態の製造プロセスは以下の順とされる。
a 分散工程S1
硬化処理前の粘弾性材料eに、希土類を主成分とする100μm以下の平均粒子径を有する強磁性粒子pを分散させて一次前駆体を得る。
2.1 First Manufacturing Method As shown in FIG. 2, the manufacturing process of this embodiment follows the following sequence.
Dispersion step S1
Ferromagnetic particles p, which are mainly composed of rare earth and have an average particle size of 100 μm or less, are dispersed in a viscoelastic material e before hardening treatment to obtain a primary precursor.
b 硬化工程S2
分散工程S1で得られた一次前駆体を硬化して二次前駆体を得る。
b. Curing step S2
The primary precursor obtained in the dispersion step S1 is cured to obtain a secondary precursor.
c 着磁工程S3
硬化工程S2で得られた二次前駆体に1.5T以上の一様な磁場を印加して強磁性粒子pに着磁させる。
c. Magnetization step S3
A uniform magnetic field of 1.5 T or more is applied to the secondary precursor obtained in the hardening step S2 to magnetize the ferromagnetic particles p.
前記分散工程S1は、硬化処理前の粘弾性材料eと強磁性粒子pとを、所定の容器(図外)に混合・投入し、例えば、アズワン社製の真空脱泡装置「VD-VLH」内に配置し、ULVAC社製の真空ポンプ「G-50SA」で真空引きを行いながら容器内のシリコーンゲルeおよび磁性微粒子pを真空脱泡攪拌して混合分散するものとなる。 The dispersion step S1 involves mixing and pouring the viscoelastic material e and ferromagnetic particles p before hardening into a specified container (not shown), placing it in, for example, a vacuum degassing device "VD-VLH" manufactured by AS ONE Corporation, and vacuum-driving the silicone gel e and magnetic microparticles p in the container while using a vacuum pump "G-50SA" manufactured by ULVAC, thereby mixing and dispersing them.
前記硬化工程S2は、上記の容器をアズワン社製の定温乾燥器「ONW-300」内に配置し、型となる容器内でシリコーンゲルを硬化するものとなる。 The hardening step S2 involves placing the container in a constant temperature dryer "ONW-300" manufactured by AS ONE Corporation, and hardening the silicone gel within the container that serves as the mold.
本試験では、この硬化工程S2において、二次前駆体の形状を決定した。結果、本発明の「形成状態にある磁気粘弾性体1」を得ることができる。
ただし、硬化工程S2において材料の形状を決定することなく、硬化工程S2の後、着磁工程S3の前あるいは着磁工程S3を経た後、発電ディバイス100として好適な形状に成形して(例えば切削成形して)、磁気粘弾性体1を得ても一向にかまわない。
In this test, the shape of the secondary precursor was determined in the curing step S2. As a result, the "
However, it is also possible to obtain the magnetic
上記硬化工程S2において、磁気粘弾性体1の形状を外径18mm程度、高さ18mm程度の円柱とする場合、加熱温度及びその加熱時間(硬化時間)は60~80℃、20~40分となる。
In the above-mentioned curing step S2, if the shape of the magnetic
図3に、第1製造方法で得られる磁気的硬質粘弾性材料s内に於ける強磁性粒子pの分散状態を示した。図は材料sの一部を拡大して模式的に示した図である(図6において同じ)。図から判明するように、粘弾性材料e内に、強磁性粒子pが均等且つランダムに分散された構造となる。 Figure 3 shows the dispersion state of ferromagnetic particles p in the magnetically hard viscoelastic material s obtained by the first manufacturing method. The figure is a schematic enlarged view of a portion of material s (same as in Figure 6). As can be seen from the figure, the ferromagnetic particles p are uniformly and randomly dispersed in the viscoelastic material e.
前記着磁工程S3は、硬化工程S2で得られた二次前駆体にパルス状の高磁場を印加する。例えば、東英工業社製のパルス励磁式磁気特性測定装置「TPM-2-08s25VT-C」を使用して成形体20に高磁場を印加する。この装置は、二次前駆体を収容する試料室と、試料室を取り囲む超電導コイルと、超電導コイルに直列接続されたコンデンサおよびスイッチと、コンデンサを充電するための直流電源とを有する構成となっており、スイッチを開けた状態でコンデンサを充電した後、スイッチを閉じると、コンデンサの放電電流が超電導コイルに一気に流れ、超電導コイルの周り、すなわち試料室に一様な高磁場が発生する。着磁工程S3においては、このようなパルス励磁式磁気特性測定装置のほか、振動試料型磁力測定装置(VSM)、電磁石を使用することもできる。
具体的には着磁時の印加磁場は8Tとした。
In the magnetization step S3, a pulsed high magnetic field is applied to the secondary precursor obtained in the hardening step S2. For example, a high magnetic field is applied to the compact 20 using a pulse excitation magnetic property measuring device "TPM-2-08s25VT-C" manufactured by Toei Kogyo Co., Ltd. This device has a sample chamber that contains the secondary precursor, a superconducting coil surrounding the sample chamber, a capacitor and a switch connected in series to the superconducting coil, and a DC power source for charging the capacitor. When the switch is closed after charging the capacitor with the switch open, the discharge current of the capacitor flows in one go to the superconducting coil, and a uniform high magnetic field is generated around the superconducting coil, i.e., in the sample chamber. In the magnetization step S3, in addition to such a pulse excitation magnetic property measuring device, a vibration sample magnetometer (VSM) and an electromagnet can also be used.
Specifically, the magnetic field applied during magnetization was 8T.
2.2 第2製造方法
図4に示すように、この実施形態の製造プロセスは以下の順とする。
a 分散工程S10
硬化処理前の粘弾性材料eに、希土類を主成分とする100μm以下の平均粒子径を有する強磁性粒子pを分散させて一次前駆体を得る。
この分散工程S10で使用する装置構成は、分散工程S1と同様である。
b 着磁硬化工程S20
分散工程S10で得られた一次前駆体に一様な磁場を印加して強磁性粒子に着磁させる着磁処理と、当該一次前駆体を硬化する硬化処理と、を同時若しくは順次実行する。
2.2 Second Manufacturing Method As shown in FIG. 4, the manufacturing process of this embodiment is as follows.
Dispersion step S10
Ferromagnetic particles p, which are mainly composed of rare earth and have an average particle size of 100 μm or less, are dispersed in a viscoelastic material e before hardening treatment to obtain a primary precursor.
The configuration of the device used in this dispersion step S10 is the same as that in the dispersion step S1.
b Magnetization hardening step S20
A magnetization process in which a uniform magnetic field is applied to the primary precursor obtained in the dispersion step S10 to magnetize the ferromagnetic particles, and a hardening process in which the primary precursor is hardened are carried out simultaneously or sequentially.
具体的には、着磁硬化工程S20は、着磁処理と硬化処理とを同時に行う予備着磁硬化完了工程S21と、予備着磁硬化完了工程S21を経て得られる予備着磁硬化完了体に、当該予備着磁硬化完了工程S21における着磁磁場より強い磁場を印加して、強磁性粒子の着磁を完了する本着磁工程S22から成る。 Specifically, the magnetization hardening process S20 consists of a preliminary magnetization hardening completion process S21 in which magnetization and hardening are performed simultaneously, and a main magnetization process S22 in which a magnetic field stronger than the magnetization magnetic field in the preliminary magnetization hardening completion process S21 is applied to the preliminary magnetization hardened body obtained through the preliminary magnetization hardening completion process S21 to complete the magnetization of the ferromagnetic particles.
磁気的硬質粘弾性材料sの成形に際しては、先に示した第1製造方法の場合とほぼ同様に、上記の着磁硬化工程S20において、一次前駆体の形状を決定するものとした。一方、着磁硬化工程S20において、材料の形状を決定することなく、この工程S20を終了した後、発電ディバイス100として好適な形状に成形して、磁気粘弾性体1を得ることもできる。
When molding the magnetically hard viscoelastic material s, the shape of the primary precursor is determined in the above-mentioned magnetization hardening step S20, almost similar to the first manufacturing method described above. On the other hand, it is also possible to obtain the magnetic
第2製造方法で、予備着磁硬化完了工程21を実行するに際して採用した着磁硬化処理装置の形態を模式的に図5に示した。
この予備着磁硬化完了工程S21では、一次前駆体10に対して、その上下に板状の永久磁石(ネオジム磁石)201を配置し、一次前駆体10に1.0T以下(好ましくは0.01~1.0T程度、具体的には0.1T)の一様な磁場を印加する。同図において、202はサポートであり、このように構成される一次前駆体-磁石一体化物200を、恒温室203内に収納して、粘弾性材料eの硬化を実行することができる。
この恒温室203は、先に第1製造方法の硬化工程S2で説明した乾燥器を使用した。
FIG. 5 shows a schematic configuration of a magnetic hardening treatment device employed in carrying out the preliminary magnetic hardening completion step 21 in the second manufacturing method.
In this preliminary magnetization hardening completion step S21, plate-shaped permanent magnets (neodymium magnets) 201 are placed above and below the
The temperature-controlled
磁気粘弾性体1の形状を外径18mm程度、高さ18mm程度の円柱とする場合、その加熱温度及びその加熱時間(硬化時間)は70~90℃、20~40分程度となる。
本着磁工程S22での印加磁場は8Tとした。本着磁工程S22は、第1製造方法の着磁工程S3とほぼ同様に実行できる。
When the magnetic
The magnetic field applied in the main magnetizing step S22 was 8 T. The main magnetizing step S22 can be performed in substantially the same manner as the magnetizing step S3 in the first manufacturing method.
得られる材料組織は、図6に模式的に示すように、着磁の方向である同図上下方向(C軸)に強磁性粒子pが並んだ柱状構造(発明者は、この柱状体を「クラスタ」と呼んでいる)となる。結果、この材料は、粘弾性を有しながら、粘弾性体全体で見て、強い保磁力を有しその周部に形成される磁束分布において方向性が極めて高い。このようにして得られる「粘弾性を有する高保磁力材料」は、本発明者により新たに作成された新規な磁気的硬質粘弾性材料sである。 As shown diagrammatically in Figure 6, the resulting material structure is a columnar structure (the inventors call these columns "clusters") in which ferromagnetic particles p are aligned in the vertical direction (C axis) of the figure, which is the direction of magnetization. As a result, this material has viscoelasticity, but when viewed as a whole viscoelastic body, it has a strong coercive force and the magnetic flux distribution formed around it has extremely high directionality. The "high coercive force material with viscoelasticity" obtained in this way is a new magnetically hard viscoelastic material s newly created by the inventor.
さらに、上記の予備着磁硬化完了工程S21で、その硬化方向と硬化時間を適切に制御する場合、柱状構造の成長と硬化を同期させることができる。例えば、硬化を下から上に緩慢に進め、強磁性粒子pをシリコーンゲル内に微量づつ加えながら、混合・分散・配向・硬化を連続的に起こさせる。このような緩慢な混合・分散・配向・硬化操作を、発明者らは「微量連続硬化処理」と呼び、その生成物を「連続柱状クラスタ構造体」と呼ぶ。 Furthermore, if the curing direction and curing time are appropriately controlled in the above preliminary magnetization curing completion step S21, the growth of the columnar structure and curing can be synchronized. For example, curing can be slowly advanced from bottom to top, and ferromagnetic particles p can be added to the silicone gel in small amounts while mixing, dispersing, orienting, and curing occur continuously. The inventors call this type of slow mixing, dispersing, orienting, and curing operation a "small amount continuous curing process," and the product is called a "continuous columnar cluster structure."
先に説明した図3及び図6は、強磁性粒子pが磁気等方性の場合の模式図である。これらに対して、強磁性粒子pが磁気異方性を有する場合の模式図を図14、15に示している。これらの模式図については発電試験結果の後に説明する。 The previously described Figures 3 and 6 are schematic diagrams of the case where the ferromagnetic particles p are magnetically isotropic. In contrast, Figures 14 and 15 show schematic diagrams of the case where the ferromagnetic particles p have magnetic anisotropy. These schematic diagrams will be explained after the power generation test results.
3.発電ディバイスの発電試験
3.1 発電ディバイス100の試験装置
上記のようにして構成される発電ディバイス100(具体的には磁気粘弾性体1)の性能試験のために使用した試験装置101の構成を図7に示した。
試験装置101は、磁気粘弾性体1(試料)が、一対のピストンPにより挟持された状態で載置される試料載置部101aと、回転駆動装置であるモータ101bの回転動を往復動に変換する駆動変換機構101cを備えて構成されている。駆動変換機構101cから得られる上下動が試料1に伝達される。モータ101bの駆動は、モータコントローラMCによりモータドライバーMDを介して制御される。
3. Power Generation Test of the Power Generation Device 3.1 Test Apparatus for the
The
この構成で、試料載置部101aに試料1を載置することにより、試料1を上下方向に周期的に変形させることができる。試料1に与える変形量の調整(駆動変換機構101cを変更)及び変形の周期の調整(モータ101bの回転速度を変更)も可能である。試料1に付与される変形は、その変形量として変形量検出装置101dにより検出される。変形量検出装置101dとしては、下側のピストンPに対してレーザー変位計LDMを設け、上側のピストンPに対してロードセルRCを介してその動ひずみ計RCMを設けて、検出の精度を期した。
With this configuration, by placing the
試料載置部101aの外径周部にはコイル101eを配置し、このコイル101eに発生する誘導電流を検出する検出機構101fを備える。段落〔0057〕〔0066〕等に記載の円柱状の磁気粘弾性体1を試料として、コイル101eは、線径0.5mmの銅線を、内径36mm、外径50mm程度に多重管巻したものであり、巻き数を1400とした。同図において、Aは同期用のアンプである。
A
結果、磁気粘弾性体1である試料を変形させ、この変形に伴って発生する磁束の変化が、誘導電流となって、電圧形態で検出機構101fにより検出する。
As a result, the sample, which is the magnetic
3.2 発電ディバイスの性能試験結果
3.2.1 磁気等方性の強磁性粒子を使用した結果
試験に供した磁気粘弾性体1に関する諸元を以下に整理する。
3.2 Performance test results of power generating device 3.2.1 Results when magnetically isotropic ferromagnetic particles were used The specifications of the
a 磁気粘弾性体1
形状: 円柱 円柱径18mm、円柱高さ18mm
材料: 製造プロセスの項で、第1製造方法、第2製造方法の工程を経て得られた磁気的硬質粘弾性材料s
粘弾性体 e : シリコーンゲル
強磁性粒子p : 平均粒子径5μmのNdFeB磁粉等方性
粘弾性体e(重量Wc)に対する強磁性粒子p(重量Wng)の割合
重量%〔Wng/Wc×100%〕
50wt%、60wt%、70wt%、80wt%、90wt%
a) Magnetic
Shape: Cylinder Cylinder diameter 18mm, cylinder height 18mm
Material: Magnetically hard viscoelastic material obtained through the steps of the first and second manufacturing methods in the manufacturing process section.
Viscoelastic body e: Silicone gel
Ferromagnetic particles p: NdFeB magnetic powder with an average particle size of 5 μm
Ratio of ferromagnetic particles p (weight Wng) to viscoelastic body e (weight Wc)
Weight% [Wng/Wc×100%]
50wt%, 60wt%, 70wt%, 80wt%, 90wt%
弾性率 :10~80 kPa程度
残留磁束密度;0.04~0.4 T 程度
保磁力 :0.08~0.25 MA/m程度
Elastic modulus: Approximately 10 to 80 kPa
Residual magnetic flux density: about 0.04 to 0.4 T
Coercive force: about 0.08 to 0.25 MA/m
b 試験条件
磁気粘弾性体1の変形
形態 :試験装置101を使用した所定周期の圧縮変形
変形量 :0~10mm
変形周期:1Hz~10Hz ただし、50Hzまで確認
b. Test conditions
Deformation of
Form: Compressive deformation at a predetermined cycle using the
Deformation: 0 to 10 mm
Deformation cycle: 1Hz to 10Hz, but confirmed up to 50Hz
試験結果
発電試験を行った結果を図8~図11に示した。
図8~図10は、変形圧縮量を変化させた場合の起電圧の結果を、図11は最大電力の結果を示したものである。
これらの図において、「クラスタ有」と記載しているには、第2製造方法の結果であり、「クラスタ無」と記載しているのが第1製造方法の結果である。
Test Results The results of the power generation test are shown in FIGS.
8 to 10 show the results of electromotive voltage when the amount of deformation and compression is changed, and FIG. 11 shows the results of maximum power.
In these figures, "with clusters" indicates the result of the second manufacturing method, and "without clusters" indicates the result of the first manufacturing method.
起電圧
図8~図10において、横軸は変形圧縮量〔mm〕を示し、縦軸は起電圧〔V〕を示している。これら図において、(a)(b)間で、粘弾性材料eに対する強磁性粒子pの配合割合〔wt%〕が異なる。線種と試験条件(変形周波数〔Hz〕、第1製造方法、第2製造方法が異なる)の対応関係を、図面下部に示している。
8 to 10, the horizontal axis indicates the deformation compression amount [mm], and the vertical axis indicates the electromotive voltage [V]. In these figures, the blending ratio [wt %] of ferromagnetic particles p to viscoelastic material e is different between (a) and (b). The correspondence between the line types and the test conditions (different deformation frequency [Hz], first manufacturing method, and second manufacturing method) is shown at the bottom of the figures.
一方、図11(a)(b)は、粘弾性材料eに対する強磁性粒子pの配合割合〔wt%〕が異なる場合について、変形圧縮の周波数と最大電力の関係を纏めたものである。図において、横軸は、変形周波数〔Hz〕を示し、縦軸は最大電力〔μW〕を示している。 On the other hand, Figures 11(a) and (b) show the relationship between the frequency of deformation compression and the maximum power when the blending ratio [wt %] of ferromagnetic particles p to viscoelastic material e is different. In the figure, the horizontal axis shows the deformation frequency [Hz], and the vertical axis shows the maximum power [μW].
図8~図10からも判明するように、試験対象とした変形圧縮量6~10mmの範囲で、良好な発電状態を示した。結果的には高い周波数側、高い配合割合側程、発電量が大きかった。
変形量に関しては、試料1の高さが18mmであることを考慮すると、材料の剛性が低い分、大きな変形を起こすことができる。圧縮変形において、そのひずみ〔変形圧縮量/圧縮前の材料長〕で0.5を超えることが、本発明の発電ディバイスでは好ましい。
変形周波数に関しては、記載の範囲を超えて50Hzまで試験したが、この程度の周波数まで発電性能を示した。
さらに、強磁性粒子の配合割合に関しては、割合が大きい程、発電性能に優れていた。
発明者等は、この配合割合として、40~90wt%のものにおいて、同様に発電することを確認している。
As can be seen from Figures 8 to 10, good power generation was achieved in the tested deformation/compression range of 6 to 10 mm. As a result, the power generation amount was larger at higher frequencies and higher blend ratios.
Regarding the amount of deformation, taking into consideration that the height of
Regarding the deformation frequency, tests were carried out up to 50 Hz, which is beyond the range described above, and power generation performance was demonstrated up to this frequency.
Furthermore, with regard to the blending ratio of ferromagnetic particles, the higher the ratio, the better the power generation performance.
The inventors have confirmed that electricity is generated similarly when the blend ratio is between 40 and 90 wt %.
第1製造方法と第2製造方法との比較に関しては、第2製造方法のほうが高い発電性能を示した。 When comparing the first and second manufacturing methods, the second manufacturing method showed higher power generation performance.
さて、図11に示す結果からみると、周波数の2乗に比例して発電出力の上昇が確認できる。また、第1製造方法と第2製造方法との比較に関しては、第2製造方法のほうが高い発電性能を示した。 Now, looking at the results shown in Figure 11, we can see that the power generation output increases in proportion to the square of the frequency. In addition, when comparing the first and second manufacturing methods, the second manufacturing method showed higher power generation performance.
さらに、このような変形圧縮操作に伴って磁気粘弾性体1周りで変化する表面磁束密度の状態を、図12に濃淡画像で示した。各図の右側が表面磁束密度のスケール〔mT〕である。(a)に、実太線で囲んで、自由状態にある磁気粘弾性体1の外形を示している。(b)に、実太線太鼓形状で、外力伝達部材2としてのアルミ板で圧縮された状態にある磁気粘弾性体1を示している。
Furthermore, the state of the surface magnetic flux density that changes around the magnetic
結果、大きな圧縮を受けることにより、磁気粘弾性体1の上下に集中していた磁束が、変形に伴って大きく分散され、低下していることが判る。発電ディバイスとしては、良好な結果である。
As a result, it can be seen that the magnetic flux that was concentrated above and below the magnetic
3.2.2 磁気異方性の強磁性粒子を使用した結果
試験に供した磁気粘弾性体1に関する諸元を以下に整理する。
3.2.2 Results when magnetically anisotropic ferromagnetic particles were used The specifications of the magnetic
a 磁気粘弾性体1
形状: 円柱 円柱径18mm、円柱高さ18mm
材料: 製造プロセスの項で、第1製造方法、第2製造方法の工程を経て得られた磁気的硬質粘弾性材料s
粘弾性体 e : シリコーンゲル(磁気等方性の場合と同一)
強磁性粒子p : 平均粒子径5μmのNdFeB磁粉異方性
粘弾性体e(重量Wc)に対する強磁性粒子p(重量Wng)の割合
重量%〔Wng/Wc×100%〕
47wt%、66wt%、77wt%
a) Magnetic
Shape: Cylinder Cylinder diameter 18mm, cylinder height 18mm
Material: Magnetically hard viscoelastic material obtained through the steps of the first and second manufacturing methods in the manufacturing process section.
Viscoelastic body e: Silicone gel (same as in the magnetic isotropic case)
Ferromagnetic particles p: NdFeB magnetic powder with anisotropy of
Ratio of ferromagnetic particles p (weight Wng) to viscoelastic body e (weight Wc)
Weight% [Wng/Wc×100%]
47wt%, 66wt%, 77wt%
弾性率 :10~80 kPa程度
残留磁束密度;0.04~0.4 T 程度
保磁力 :0.08~0.25MA/m程度
Elastic modulus: Approximately 10 to 80 kPa
Residual magnetic flux density: about 0.04 to 0.4 T
Coercive force: about 0.08 to 0.25 MA/m
b 試験条件
磁気粘弾性体1の変形
形態 :試験装置101を使用した所定周期の圧縮変形
変形量 :0~10mm
変形周期:1Hz~10Hz ただし、50Hzまで確認
b. Test conditions
Deformation of
Form: Compressive deformation at a predetermined cycle using the
Deformation: 0 to 10 mm
Deformation cycle: 1Hz to 10Hz, but confirmed up to 50Hz
試験結果
発電試験を行った結果を図13(a)(b)(c)に示した。
図13は、強磁性粒子pとして異方性を備えたものを採用する場合の、第1製造方法及び第2製造方法に従って製造した場合を比較して示した。
Test Results The results of the power generation test are shown in FIGS.
FIG. 13 shows a comparison between the first and second manufacturing methods when ferromagnetic particles p having anisotropy are used.
起電圧
図13において、横軸は変形周期〔Hz〕を示し、縦軸は起電圧〔V〕を示している。これら図において、(a)(b)(c)間で、粘弾性材料eに対する強磁性粒子pの配合割合〔wt%〕が異なる。各図上に配合割合〔wt%〕を示すとともに、線種と第1製造方法、第2製造方法の対応関係を示している。即ち、第1製造方法に従ったものを実線で、第2製造方法に従ったものを破線で示している。
Electromotive voltage In Fig. 13, the horizontal axis indicates the deformation period [Hz], and the vertical axis indicates the electromotive voltage [V]. In these figures, the blending ratio [wt %] of the ferromagnetic particles p to the viscoelastic material e is different between (a), (b), and (c). The blending ratio [wt %] is shown on each figure, and the correspondence between the line type and the first and second manufacturing methods is shown. That is, the first manufacturing method is shown by a solid line, and the second manufacturing method is shown by a dashed line.
図13に示す結果からみると、変形周期の増加に伴って起電圧の上昇が確認できる。また、第1製造方法と第2製造方法との比較に関しては、配合割合が低いもしくは対象とした中程度のものにおいて第2製造方法のほうが大きな起電力を得ることができた。
粘弾性材料eに対する強磁性粒子pの配合割合〔wt%〕に関しては、強磁性粒子pが磁気異方性の場合、(b)に示す66wt%のものが最も高かった。
From the results shown in Fig. 13, it can be seen that the electromotive force increases with the increase in the deformation period. In addition, in comparison between the first and second manufacturing methods, the second manufacturing method was able to obtain a larger electromotive force when the compounding ratio was low or in the target medium range.
Regarding the blending ratio [wt %] of the ferromagnetic particles p to the viscoelastic material e, when the ferromagnetic particles p were magnetically anisotropic, the highest was 66 wt % as shown in (b).
強磁性粒子pが「磁気等方性」の場合と「磁気異方性」の場合とで、起電力の大きな差異は認められなかった。ただし、強磁性粒子pの量を低減し、粘弾性体の粘弾性を維持するという点において磁気異方性の強磁性粒子pのほうが有利である。 No significant difference in electromotive force was observed between when the ferromagnetic particles p were "magnetically isotropic" and when they were "magnetically anisotropic." However, magnetically anisotropic ferromagnetic particles p are advantageous in terms of reducing the amount of ferromagnetic particles p and maintaining the viscoelasticity of the viscoelastic body.
図14、図15に、強磁性粒子pを異方性とした場合の第1製造方法、第2製造方法の磁気モーメントの状態を示した。これらの図において粒子p内に記載した矢印が磁気モーメントの方向を示している。第1製造方法では、配向が揃わないため、磁気粘弾性体1全体としても等方性を示す。これに対して、第2製造方法では、一定の方向に揃うことで、磁気粘弾性体1全体としても異方性を示す。クラスタの形成に関しては印加する印加磁場の程度と粘弾性材料の硬化の状態により制御可能である。
Figures 14 and 15 show the state of the magnetic moment in the first and second manufacturing methods when the ferromagnetic particles p are made anisotropic. In these figures, the arrows inside the particles p indicate the direction of the magnetic moment. In the first manufacturing method, the orientation is not uniform, so the magnetic
〔別実施形態〕
(1)以上説明した例では、本発明に係る発電ディバイス100の基本単位を示した。実際に発電装置(図外)を構築する場合、基本単位となる発電ディバイス100の複数を任意の位置関係(例えば、複数を横配置、斜め配置)で配置することができる。発電ディバイス100の横断面形状、横幅、高さも任意に選択できる。
このように、複数の発電ディバイス100を組み合わせる場合、外力伝達部材2は、複数で共通としてもよいし、各々単独としてもよい。さらに、コイル3の接続は、並列接続としても、直列としても良い。ただし、誘導電流の方向は合わせる必要がある。
また、磁気粘弾性体1の形状(立体形状)も、円柱状とする他、角柱状、太鼓状等、使用目的に応じて任意の形状が選択可能である。
[Another embodiment]
(1) In the above-described example, a basic unit of the
In this way, when a plurality of
Furthermore, the shape (three-dimensional shape) of the magnetic
(2)これまで説明してきた実施形態にあっては、粘弾性材料の例としてシリコーンゲルの例を挙げたが、この種、粘弾性材料としては、硬化によりある程度の保形性(成形性)を確保でき、常温で粘弾性を有する任意の材料を使用することができる。
シリコーンゲル(シリコーン系エラストマーの一例)は、加熱により硬化する熱硬化性粘弾性材料(熱硬化性エラストマー)の一例となっている。本発明で採用可能な粘弾性材料(エラストマー)としては、シリコーン系エラストマーの他、スチレン系エラストマー、オレフィン系エラストマー、ウレタン系エラストマー、エステル系エラストマーの一種以上を挙げることができる。
(2) In the embodiments described so far, silicone gel has been given as an example of a viscoelastic material. However, any material that can maintain a certain degree of shape retention (formability) upon hardening and has viscoelasticity at room temperature can be used as this type of viscoelastic material.
Silicone gel (an example of a silicone-based elastomer) is an example of a thermosetting viscoelastic material (thermosetting elastomer) that hardens when heated. Viscoelastic materials (elastomers) that can be used in the present invention include at least one of silicone-based elastomers, styrene-based elastomers, olefin-based elastomers, urethane-based elastomers, and ester-based elastomers.
(3) これまで説明してきた実施形態にあっては、強磁性粒子の例としてネオジム磁石粒子の例を挙げたが、この種の材料としては、希土類を主成分とする強磁性粒子を好適に採用することができる。例えば、SmFeN磁石粒子,SmCo磁石粒子等を挙げることができる。 (3) In the embodiments described so far, neodymium magnet particles have been used as an example of ferromagnetic particles, but ferromagnetic particles mainly composed of rare earth elements can be suitably used as this type of material. Examples include SmFeN magnet particles and SmCo magnet particles.
また、その粒子径は、粘弾性材料を対象とする場合、その内部に均等分散するのに好ましい径とできる。発明者等の検討では、これまでも説明してきたように100μm以下が好ましく、均等分散を考慮すると、経験的には30μm以下がさらに好ましい。下限は、1μm程度である。 When the target material is a viscoelastic material, the particle size can be set to a size that is favorable for uniform dispersion within the material. As explained above, the inventors' research has shown that a particle size of 100 μm or less is favorable, and empirically, a particle size of 30 μm or less is even more favorable when considering uniform dispersion. The lower limit is about 1 μm.
(4)先に示した第2製造方法の磁気的硬質粘弾性材料の製造に際しては、分散工程の後、着磁硬化工程を実行するものとし、さらに着磁硬化工程が、予備着磁硬化完了工程及び本着磁工程を含むものとした。
このような二段構成とした理由は、柱状構造の良好な形成を達成するためであるが、例えば、柱状構造の生成と強磁性粒子の着磁を、着磁処理と硬化処理とを同時に行うだけで達成できる場合は、同時処理のみを行うものとしてもよい。
一方、粘弾性材料内での強磁性粒子の移動がある程度制限されている場合は、着磁処理、硬化処理、更なる着磁処理としてもよい。
(4) In manufacturing the magnetically hard viscoelastic material by the second manufacturing method shown above, a magnetization hardening process is carried out after the dispersion process, and the magnetization hardening process further includes a preliminary magnetization hardening completion process and a main magnetization process.
The reason for using such a two-stage structure is to achieve good formation of a columnar structure, but for example, if the generation of the columnar structure and the magnetization of the ferromagnetic particles can be achieved simply by simultaneously carrying out the magnetization treatment and the hardening treatment, it is also possible to only carry out the simultaneous treatment.
On the other hand, when the movement of the ferromagnetic particles within the viscoelastic material is restricted to a certain degree, the material may be subjected to a magnetizing process, a hardening process, and a further magnetizing process.
また、第2製造方法における予備着磁硬化完了工程における着磁操作は、図5に示す構成としたが、一次前駆体10を上下に挟む位置に設ける板状の永久磁石201(ネオジム磁石板)の外側(上下軸方向の外側)に所謂バックヨーク(鉄製の磁束制御板)を設けておくと着磁効果を格段に高めることができる。
The magnetization operation in the preliminary magnetization hardening completion step in the second manufacturing method was configured as shown in FIG. 5, but the magnetization effect can be significantly improved by providing a so-called back yoke (iron magnetic flux control plate) on the outside (outside in the vertical axial direction) of the plate-shaped permanent magnet 201 (neodymium magnet plate) that is placed in a position that sandwiches the
(5)本発明の発電ディバイスを使用することにより、外部磁場の印加が不要な振動発電設備を構築できる。そのため、人の歩行時や、車の走行時、ビル等の構造物における振動等の普段捨てられていたエネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギーハーベスティング等への応用が可能となる。
人の歩行時による発電では靴底への利用が考えられる。車の走行時やビル等の構造物における振動等による発電では、橋梁や建物の基礎部分に配置するダンバーの役割を兼ねる発電設備とすることができる。本発明の発電ディバイスは、特に低周波数:50Hz以下(好ましくは10Hz以下)の振動に対して有効に働くため、これまで採用されてきた周波数範囲より低い周波数領域で採用できる。
(5) By using the power generation device of the present invention, it is possible to construct a vibration power generation facility that does not require the application of an external magnetic field, which makes it possible to apply it to energy harvesting, which converts into electrical energy energy the energy that is normally wasted when people walk, when cars run, or when structures such as buildings vibrate.
In generating electricity when people walk, it can be used in the soles of shoes. In generating electricity when a car runs or when vibrations occur in a structure such as a building, it can be used as a power generation facility that also serves as a damper placed in the foundations of bridges and buildings. The power generation device of the present invention is particularly effective for vibrations of low frequency: 50 Hz or less (preferably 10 Hz or less), so it can be used in a frequency range lower than the frequency range that has been used so far.
1 磁気粘弾性体
2 外力伝達部材(磁気粘弾性体変形手段)
3 コイル(誘導電流発生手段)
4 接続線(出力手段)
5 負荷
10 一次前駆体
101 試験装置
101a 試料載置部
101b モータ(回転駆動装置)
101c 駆動変換機構
101d 変形量検出装置
101e コイル(誘導電流発生手段)
101f 検出機構
201 ネオジム磁石(永久磁石)
202 サポート
s 磁気的硬質粘弾性材料
p 強磁性粒子
e 粘弾性材料
F 外力
1 Magnetic
3 Coil (Induction current generating means)
4 Connection line (output means)
5
101c
202 Support s Magnetic hard viscoelastic material p Ferromagnetic particles e Viscoelastic material F External force
Claims (4)
外力を受けて前記磁気粘弾性体を変形させる磁気粘弾性体変形手段と、
前記磁気粘弾性体の変形により空間分布が変化する磁束により、内部に誘導電流を発生する誘導電流発生手段とを備え、
前記誘導電流発生手段に発生する前記誘導電流を出力する出力手段を備え、
前記強磁性粒子が、希土類を主成分とする強磁性粒子であるとともに、
前記粘弾性材料が、前記強磁性粒子を磁束方向に並んだ柱状構造体として含み、常温で粘弾性を示す高分子材料であり、
前記粘弾性材料に対する前記強磁性粒子の配合割合が、重量割合で40~70wt%の範囲内にある発電ディバイスの使用方法であって、
前記磁気粘弾性体変形手段を介して、周波数50Hz以下の周期で変動する外力により前記磁気粘弾性体を周期的に変形させて発電する発電ディバイスの使用方法。 a magnetic viscoelastic body having a coercive force, the magnetic viscoelastic body being formed by molding a magnetically hard viscoelastic material in which magnetized ferromagnetic particles are dispersed within the viscoelastic material;
a magnetic viscoelastic body deformation means for deforming the magnetic viscoelastic body by receiving an external force;
an induced current generating means for generating an induced current therein by a magnetic flux whose spatial distribution changes due to the deformation of the magnetic viscoelastic body;
an output means for outputting the induced current generated by the induced current generating means,
the ferromagnetic particles are ferromagnetic particles mainly composed of rare earth elements,
the viscoelastic material is a polymer material that contains the ferromagnetic particles as columnar structures aligned in the magnetic flux direction and exhibits viscoelasticity at room temperature,
A method for using a power generating device, the blending ratio of the ferromagnetic particles to the viscoelastic material being within a range of 40 to 70 wt %, comprising:
A method for using a power generating device, which generates power by periodically deforming the magnetorheological material through the magnetorheological material deformation means using an external force that varies with a period of 50 Hz or less.
前記誘導電流発生手段がコイルである請求項1記載の発電ディバイスの使用方法。 The ferromagnetic particles are neodymium magnet particles with an average particle size of 100 μm or less,
2. The method for using a power generating device according to claim 1, wherein said induced current generating means is a coil.
前記分散工程で得られた前記一次前駆体にその上下に板状の永久磁石を配置し、前記一次前駆体に0.01~0.1Tの一様な磁場を印加して前記強磁性粒子に着磁させる着磁処理と、当該一次前駆体を硬化する硬化処理とを実行する着磁硬化工程において、前記着磁処理と前記硬化処理とを同時に行う予備着磁硬化完了工程と、前記予備着磁硬化完了工程を経て得られる予備着磁硬化完了体に、当該予備着磁硬化完了工程における着磁磁場より強い磁場を印加して、前記強磁性粒子の着磁を完了する本着磁工程とを含み、
前記強磁性粒子を磁束方向に並んだ柱状構造体として含む磁気的硬質粘弾性材料の製造方法。 a dispersion step of dispersing ferromagnetic particles having an average particle size of 100 μm or less, mainly composed of rare earth elements, in a viscoelastic material before a curing treatment to obtain a primary precursor;
the magnetization hardening process includes a preliminary magnetization hardening completion process in which the magnetization process and the hardening process are simultaneously performed in a magnetization process in which plate-shaped permanent magnets are placed above and below the primary precursor obtained in the dispersion process, and a uniform magnetic field of 0.01 to 0.1 T is applied to the primary precursor to magnetize the ferromagnetic particles, and a hardening process in which the primary precursor is hardened; and a main magnetization process in which a magnetic field stronger than the magnetization magnetic field in the preliminary magnetization hardening completion process is applied to the preliminary magnetization hardened body obtained through the preliminary magnetization hardening completion process to complete the magnetization of the ferromagnetic particles,
A method for producing a magnetically hard viscoelastic material comprising the ferromagnetic particles as columnar structures aligned in the direction of magnetic flux.
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