タイトル平成23年度-平成24年度成果報告書 新エネルギーベンチャー技術革新事業 新エネルギーベンチャー技術革新事業 (風力発電その他未利用エネルギー) 磁歪材料を用いたMEMS型振動発電素子の技術開発
報告書年度2011 - 2012
委託先名株式会社 M.T.C 国立大学法人金沢大学 テセラ・テクノロジー株式会社
和文要約件名:平成23年度-平成24年度成果報告書 新エネルギーベンチャー技術革新事業/新エネルギーベンチャー技術革新事業(風力発電その他未利用エネルギー)/磁歪材料を用いたMEMS型振動発電素子の技術開発
 最近、身の回りの振動から微小な電気エネルギーを取り出す振動発電が、新しい自立電源技術として注目されている。従来の固有振動数で振動させるカンチレバータイプとは異なり、振動さえしていれば固有振動数に関係なく発電できるシート状発電デバイスを提案する。(1)磁歪材料;本PJでは我々は高い柔軟性を示し、かつ高い電気-機械結合係数を有しているMetglas社製のFe‐Si-B系のアモルファス材料を用いた。10mm×10mm×20μmの磁歪薄帯をAl基板上に貼り付け、Al基板の一端を加振器に固定したカンチレバー構造にて振動を与えた。磁歪薄帯の回りにはピックアップコイルが巻かれている。磁歪薄帯(Fe-Si-B系、Fe-Ni系)について歪と磁束密度の変化dBを比較し、磁束密度の変化量は、0.8から1.1Tを得た。周波数特性では1次共振、2次共振でともに発電量を計測でき、シート状磁歪発電のメリットが実証された。(2)素子試作;まずMEMSタイプについては2種の立体コイルの形成を行った。第一の方法は、Si基板中にMEMSプロセスとCMPプロセスを用いてCu配線を埋め込み、磁歪薄帯を貼り付けて絶縁膜をコートして其の上にメッキでCu配線を形成する方法である。MEMSプロセス及びCMPプロセスは東北大学(仙台)にて行った。第二の方法は、Agペースとスクリーン印刷技術を用いて配線を形成する方法である。上下配線の接続には、スルーホール形成とエッジコンタクト法をトライした。結果的には上記これらの方法は、課題が多く工程途中で時間切れとなった。最終的に選択したプロセスは、フレキ基板で磁歪薄帯を挟み込む方法である。本方法は、既存技術の活用であるため、量産性、信頼性に優れている。最終的に、発電量は磁歪薄帯0.01ccの体積に対して、AC端で10.1μWであった。(3)回路検討;先ずシート状磁歪薄帯発電素子の試作が実現するまで、金沢大学にて開発が行わたバルク型発電素子の回路設計、基板試作を行った。電源制御回路として、多段式整流回路とダイオードブリッジ回路の検討を行ったが、前者の方が高効率であることが分かった。その後、シート状発電素子の試作品で多段式整流回路にて回路設計、基板試作を行った。その結果、DC端にて6.5μW、AC-DC変換効率 64%を実現できた。現状でも、1バイトの情報を30分に1回のインターバルであれば無線で飛ばすことは可能である。(4)ビジネス展開;本素子はプラントのヘルスモニタリングに用いる無線センサネットワーク向け自立電源を目指している。我々はプラントのニーズを調査する目的で、展示会参加を積極的に行った。特に、株式会社IHIインフラシステム については、実際に稼働中のプラントで振動特性取得も行うことが出来た。次のステップとして、実振動による発電特性取得に向けて計画を推進中である。
英文要約Title: New Energy Technology Research Development/ New Energy Venture Business Technology Innovation Program (wind power generation and other untapped energies ) / Investigation of inverse magnetostrictive property of magnetostrictive ribbon for sheet type vibrational energy harvesting device (FY2011-FY2012) FY2012 Final Report

Sheet type vibration based energy harvester is advantageous to conventional one using cantilever that it does not have resonance frequency and can generate electricity if the frame vibrates.(1)Material; In this period of the project, we investigated the inverse magnetostrictive properties of magnetostrictive ribbon, Metglas, for device material. Metglas is Fe-Si-B based amorphous alloy with good ductility and high coupling coefficient (> 0.9). The ribbon of 10mm by 10mm by 20μm thickness was bonded on aluminum cantilever beam of 2mm thickness and wound pickup coil were oscillated by exciter. The results were compared for Fe-B-Si and Fe-Ni. The relationship between the strain and flux density variation dB are obtained. It can be configured simple and rigid for practical usage. By frequency response, peak in output was observed in 1st and 2nd bending resonance of the beam, which demonstrates the advantages of sheet device utilizing high frequency vibration for power generation. . (2)Trial product of energy harvesting device; We are investigating tow types of 3D pickup coil structures prepared by MEMS process, which surround magnetostrictiv sheet. The first type of structure has embedded Cu stripe pattern in Si substrate, made by MEMS and CMP process. At present we have finished Cu damascene process. Next process is coating film for isolation. Finally we will make 200-400 turns 3D coils. We are developing these processes using the equipments of Tohoku University(Sendai). The second type has 3D coil pattern, screen printed on isolated magnetostrictiv sheet directly, which has 140 through hall vias(200μmφ). At present stage, we have finished Ag paste pattern for 3D coil, by screen printing, which has 70 turns. The properties , such as resistivity of 3D coil, will be measured. (3)Circuit design and trial product of circuit board ; First of all, we have investigated circuits for bulk-type vibrational energy harvesting device, which has already developed by Kanazawa University until seet type is prepared.Tow type of power control block has been investigated, multi stage type and diode type circuits for rectification. Maximum transfer efficiency, 56.9%. was obtained in the case of transform ratio 3.6 and in the multi stage type. We have found that it should be selected optimum transform ratio and circuit tuning. Also we should require same circuit tuning in the case of MEMS type harvester. (4)Business Planning; For the research of industry needs, we joined exhibition(Plant show etc.) and have contacted key persons who has responsibility of making selection energy harvesting devices in their chemical plant. Then we will be able to show the prototype module of energy harvesting system.