JP2020204060A - Magnetostrictive material - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁歪式振動発電デバイス等に使用するＦｅＧａ合金系磁歪材料、詳しくは単結晶ＦｅＧａＣｅ合金系磁歪材料に関する。 The present invention relates to a FeGa alloy-based magnetostrictive material used for a magnetostrictive vibration power generation device or the like, and more particularly to a single crystal FeGaCe alloy-based magnetostrictive material.
近年、自律的に通信する機能を持ったモノ同士が情報交換を行い、自動的に制御を行う世界、モノのインターネットＩｏＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ）世界の到来への期待が高まっている。ＩｏＴが社会に浸透すると、通信機能を持ったＩｏＴデバイスが大量に出回ることになる。センサーのようなＩｏＴデバイスを動作させるためには電源が必要である。しかし、デバイスの数が膨大になると配線やメンテナンスの時間・コストの面で電源確保が困難となる。そのため、ＩｏＴ世界の実現にはＩｏＴデバイスに適した電力供給技術が求められる。 In recent years, expectations are rising for the arrival of the Internet of Things (IoT) world, a world in which things that have the function of autonomous communication exchange information and automatically control each other. When IoT permeates society, a large number of IoT devices with communication functions will be on the market. A power source is required to operate an IoT device such as a sensor. However, when the number of devices becomes enormous, it becomes difficult to secure a power source in terms of wiring and maintenance time and cost. Therefore, in order to realize the IoT world, a power supply technology suitable for IoT devices is required.
こうした背景から、近年、我々の身の回りのどこにでもある微小エネルギーを電力に変換して活用する技術「エネルギーハーベスティング」に対する注目が高まっている。エネルギー源のひとつである振動は、自動車、鉄道、機械、人等の移動体が動く度に必ず発生するため、発生箇所が多くあり、気象、天候に左右されないエネルギー源である。そのため、これら移動体の動きと連動したアプリケーションの電源供給を振動発電で賄うシステムの構築が、ＩｏＴ世界の実現の糸口になると考えられる。 Against this background, in recent years, attention has been focused on "energy harvesting," a technology that converts minute energy that is everywhere around us into electric power and utilizes it. Vibration, which is one of the energy sources, is generated every time a moving body such as an automobile, a railroad, a machine, or a person moves. Therefore, there are many places where vibration is generated, and it is an energy source that is not affected by weather or weather. Therefore, it is considered that the construction of a system that uses vibration power generation to supply power to applications linked to the movement of these mobile objects will be a clue to the realization of the IoT world.
振動発電の方式は、磁歪式、圧電式、静電誘導式、電磁誘導式の４種に分類される。磁歪式は、応力を加えることで金属内部の磁場の変化に伴って外部へ漏れた磁束を、巻き付けたコイルを通じて電気に変換する方式である。他の方式よりも内部抵抗が小さいため発電量が大きい。また、金属合金を使用するため耐久性に優れているという特徴を有する。そのため、磁歪式は振動発電デバイスの課題のひとつである耐久性の向上が可能な方式として期待されている。 The vibration power generation method is classified into four types: magnetostrictive type, piezoelectric type, electrostatic induction type, and electromagnetic induction type. The magnetostrictive type is a method in which the magnetic flux leaked to the outside due to a change in the magnetic field inside the metal by applying stress is converted into electricity through a wound coil. Since the internal resistance is smaller than other methods, the amount of power generation is large. In addition, since it uses a metal alloy, it has a feature of being excellent in durability. Therefore, the magnetostrictive type is expected as a method capable of improving durability, which is one of the problems of the vibration power generation device.
しかしながら、現状の磁歪式振動発電デバイスでは発電密度（体積当たりの発電量）が小さく、小型化を実現できておらず実用化に至っていない。実用化には、発電密度と比例関係にある磁歪材料の磁歪量を向上させることによって、デバイスの発電密度を向上させて小型化を実現することが必須となっている。例えば、タイヤ空気圧監視システム、工場内センサーネットワーク等に磁歪式振動発電デバイスを適用する場合、約０．３ｍＷ／ｃｍ３の消費電力密度が求められ、磁歪量としては４００ｐｐｍ以上が必要となる。 However, the current magnetostrictive vibration power generation device has a small power generation density (power generation amount per volume), and has not been miniaturized and has not been put into practical use. For practical use, it is essential to improve the power generation density of the device and realize miniaturization by improving the amount of magnetostriction of the magnetostrictive material, which is proportional to the power generation density. For example, when a magnetostrictive vibration power generation device is applied to a tire pressure monitoring system, a sensor network in a factory, or the like, a power consumption density of about 0.3 mW / cm 3 is required, and a magnetostrictive amount of 400 ppm or more is required.
従来の磁歪式振動発電デバイスに使用される磁歪材料としては、例えば下記の特許文献１に記載されている、Ｂを１ａｔ％〜２ａｔ％、Ａｌを４ａｔ％〜７ａｔ％およびＧａを１２ａｔ％〜１４ａｔ％含み、残部がＦｅである合金がある。この合金は、機械的強度を向上させるため、一般的に広く知られているＦｅＧａ合金（ガルフェノール）にＡｌおよびＢを添加した磁歪材料であり、薄膜状、薄帯状、バルク状態等でも使用することができ、センサー、アクチュエーター等に用いる材料としても期待されている。
Examples of the magnetostrictive material used in the conventional magnetostrictive vibration power generation device include 1 at% to 2 at% for B, 4 at% to 7 at% for Al, and 12 at% to 14 at for Ga, which are described in
特許文献１には磁歪材料が開示されている。この磁歪材料は、機械的強度に優れるものの、磁歪量は約５０ｐｐｍと小さく、振動発電デバイスとして小型化を実現できない。そこで、本発明は、より大きい磁歪量、例えば少なくとも約４００ｐｐｍの磁歪量を有し、かつ、機械的強度に優れた磁歪材料を提供することを課題とする。
上記課題を達成するために、本発明は、次式（１）
Ｆｅ（１００−ｘ−ｙ）ＧａｘＣeｙ・・・（１）
（式中、ｘおよびｙは、それぞれ対応する元素のａｔ％（原子パーセント）で表した含有率であり、ｙ≦０．４５ｘ−１．７５、ｙ≦−０．９８ｘ＋１９．７、およびｙ≧−０．０２７ｘ＋０．６３３を満たす）
で表されるＦｅＧａＣｅ合金から成ることを特徴とする磁歪材料
を提供する。
In order to achieve the above object, the present invention has the following equation (1).
Fe (100-x-y) Ga x Ce y ··· (1)
(In the formula, x and y are the contents expressed in at% (atomic percent) of the corresponding elements, respectively, y ≦ 0.45x-1.75, y ≦ −0.98x + 19.7, and y ≧. -0.027x + 0.633 is satisfied)
Provided is a magnetostrictive material characterized by being composed of a FeGaCe alloy represented by.
本明細書において「含有率」とは、磁歪材料全体の原子数に対する各元素の原子数の割合であり、ａｔ％（原子パーセント）の単位を用いて表される。 In the present specification, the "content rate" is the ratio of the number of atoms of each element to the number of atoms of the entire magnetic strain material, and is expressed using the unit of at% (atomic percentage).
本明細書において「磁歪材料」とは、その組成が列挙した元素で実質的に構成されている限り、不可避的に混入する微量の他の元素を含んでいてもよい。Ｆｅ、ＧａおよびＣｅの合計を基準として、例えば酸素を０．００５ａｔ％未満を含んでいてもよい。 As used herein, the term "magnetostrictive material" may include trace amounts of other elements that are inevitably mixed in, as long as its composition is substantially composed of the listed elements. Based on the total of Fe, Ga and Ce, for example, oxygen may be contained in an amount of less than 0.005 at%.
本発明は、本発明の磁歪材料を用いて形成された磁歪部材を提供する。磁歪部材は、その用途に応じていずれの適当か形状を有してもよい。更に、本発明は、そのような磁歪部材を含んで構成された電気デバイス、特にＩｏＴデバイス、例えば振動発電デバイス、磁歪式センサー、アクチュエーター等を更に提供する。 The present invention provides a magnetostrictive member formed using the magnetostrictive material of the present invention. The magnetostrictive member may have any suitable shape depending on its application. Further, the present invention further provides an electric device configured including such a magnetostrictive member, particularly an IoT device such as a vibration power generation device, a magnetostrictive sensor, an actuator and the like.
本発明の磁歪材料においては、ＦｅおよびＧａよりも原子半径の大きいＣｅの添加により誘起される局所的なひずみ、ならびにＣｅの持つ４ｆ電子の四重極モーメントに起因する結晶磁気異方性により高磁歪量化を実現することができる。 In the magnetostrictive material of the present invention, it is high due to the local strain induced by the addition of Ce having an atomic radius larger than that of Fe and Ga, and the magnetocrystalline anisotropy caused by the quadrupole moment of 4f electrons possessed by Ce. Magnetostriction can be achieved.
本発明の磁歪材料は、５０００（Ｏｅ）の磁場において少なくとも４００ｐｐｍの磁歪量を有し、かつ、機械的強度に優れている。 The magnetostrictive material of the present invention has a magnetostrictive amount of at least 400 ppm in a magnetic field of 5000 (Oe) and is excellent in mechanical strength.
以下、本発明の実施の形態である磁歪材料について、添付図面を参照しながら、詳細に説明するが、本発明はそのような実施形態に限定されるものではない。 Hereinafter, the magnetostrictive material according to the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to such an embodiment.
＜磁歪材料＞
本発明の磁歪材料は、次式（１）
Ｆｅ（１００−ｘ−ｙ）ＧａｘＣeｙ・・・（１）
（式中、ｘおよびｙは、それぞれ対応する元素の含有率（単位：ａｔ％（原子パーセント））であり、次の３つの不等式：
ｙ≦０．４５ｘ−１．７５
ｙ≦−０．９８ｘ＋１９．７、および
ｙ≧−０．０２７ｘ＋０．６３３
を満たすＦｅ−Ｇａ−Ｃｅ合金から成る。
<Morcostrictive material>
The magnetostrictive material of the present invention has the following equation (1).
Fe (100-x-y) Ga x Ce y ··· (1)
(In the formula, x and y are the content rates of the corresponding elements (unit: at% (atomic percentage)), and the following three inequalities:
y ≦ 0.45x-1.75
y ≤ -0.98x + 19.7, and y ≥ -0.027x + 0.633
It is composed of an Fe-Ga-Ce alloy that satisfies the above conditions.
磁歪材料において、上記３つの不等式を満たす場合、ＦｅおよびＧａよりも原子半径の大きいＣｅが存在することによって誘起される局所的なひずみ、ならびにＣｅが持つ４ｆ電子の四重極モーメントに起因する結晶磁気異方性により、特許文献１に記載されたＦｅＧａＡｌ系合金と比較した場合、機械的強度を維持しながらも、磁歪量の向上を実現することができる。
When the above three inequality is satisfied in the magnetostrictive material, the crystal is caused by the local strain induced by the presence of Ce having an atomic radius larger than Fe and Ga, and the quadrupole moment of 4f electrons possessed by Ce. Due to the magnetic anisotropy, when compared with the FeGaAl-based alloy described in
好ましい実施形態では、本発明の磁歪材料は、少なくとも６００ｐｐｍの磁歪量を有し、Ｇａ含有率（ｘ）およびＣｅ含有率（ｙ）は、次の３つの不等式を満たす：
ｙ≦０．２２４ｘ−１．７４、
ｙ≦−０．５３３ｘ＋１０．２３、および
ｙ≧−０．０３４＋０．８４１。
In a preferred embodiment, the magnetostrictive material of the present invention has a magnetostrictive amount of at least 600 ppm, and the Ga content (x) and Ce content (y) satisfy the following three inequalities:
y ≦ 0.224x-1.74,
y ≦ −0.533x + 10.23, and y ≧ −0.034 + 0.841.
より好ましい実施形態では、本発明の磁歪材料は、少なくとも６５０ｐｐｍの磁歪量を有し、Ｇａ含有率（ｘ）およびＣｅ含有率（ｙ）は、次の３つの不等式を満たす：
０．４≦ｙ≦０．６
ｙ≦−ｘ＋１８、および
ｙ≧−ｘ＋１６。
In a more preferred embodiment, the magnetostrictive material of the present invention has a magnetostrictive amount of at least 650 ppm, and the Ga content (x) and Ce content (y) satisfy the following three inequalities:
0.4 ≤ y ≤ 0.6
y ≦ −x + 18, and y ≧ −x + 16.
尚、本発明の磁歪材料の組成は、それを製造する際に混合する各元素の質量に基づいて算出できる。別の方法として、製造した磁歪材料を用いて電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）で分析することによっても算出できる。 The composition of the magnetostrictive material of the present invention can be calculated based on the mass of each element mixed in producing the magnetostrictive material. Alternatively, it can be calculated by analyzing the manufactured magnetostrictive material with an electron probe microanalyzer (EPMA).
＜磁歪材料の製造方法＞
本発明の磁歪材料は、それを構成する元素から構成される合金を製造できる既知のいずれの適当な方法を用いて製造してもよい。例えば、チョクラルスキー法（ＣＺ法）、ブリッジマン法、急冷凝固法等を用いることができる。特に、ＣＺ法は大型の結晶を化学組成、結晶方位を精度良く製造することができる。
<Manufacturing method of magnetostrictive material>
The magnetostrictive material of the present invention may be produced using any known suitable method capable of producing an alloy composed of the elements constituting the magnetostrictive material. For example, the Czochralski method (CZ method), the Bridgman method, the quenching solidification method and the like can be used. In particular, the CZ method can produce a large crystal with high accuracy in chemical composition and crystal orientation.
（実施例１および比較例１）
Ｃｅ添加の有効性を確認するため、比較例としてのＦｅＧａ合金にＣｅを添加したＦｅＧａＣｅ合金試料を実施例として作製し、機械的強度および磁歪量の測定を行う。図３の表１に示すようにＧａ含有率およびＣｅ含有率を種々変え、残部をＦｅとし、複数種の合金試料を準備する。
(Example 1 and Comparative Example 1)
In order to confirm the effectiveness of the addition of Ce, a FeGaCe alloy sample in which Ce is added to the FeGa alloy as a comparative example is prepared as an example, and the mechanical strength and the amount of magnetostriction are measured. As shown in Table 1 of FIG. 3, the Ga content and the Ce content are variously changed, the balance is Fe, and a plurality of types of alloy samples are prepared.
合金試料を作製するため、鉄（純度９９．９９９％）、ガリウム（純度９９．９９９％）、セリウム（純度９９．９％）を電子天秤にてそれぞれ秤量する。合金試料は高周波誘導加熱型ＣＺ炉を用いて育成する。内径φ５０ｍｍのグラファイトルツボの内側に外径φ４５ｍｍの緻密質アルミナ製ルツボを配置し、秤量した所定の組成の原料４００ｇを投入する。原料を投入したルツボを育成炉に投入し、炉内を真空にした後にアルゴンガスを導入する。その後、炉内が大気圧となった時点で、装置の加熱を開始し、融液に達するまで、１２時間かけて加熱する。 In order to prepare an alloy sample, iron (purity 99.999%), gallium (purity 99.999%), and cerium (purity 99.9%) are weighed with an electronic balance. The alloy sample is grown using a high frequency induction heating type CZ furnace. A dense alumina crucible having an outer diameter of φ45 mm is placed inside a graphite crucible having an inner diameter of φ50 mm, and 400 g of a weighed raw material having a predetermined composition is charged. The crucible containing the raw materials is put into a growing furnace, the inside of the furnace is evacuated, and then argon gas is introduced. Then, when the inside of the furnace reaches atmospheric pressure, heating of the apparatus is started, and heating is performed over 12 hours until the melt is reached.
＜１００＞方位に切り出したＦｅＧａ単結晶を種結晶として用い、種結晶を融液近くまで下降させる。この種結晶を５ｒｐｍで回転させながら徐々に降下させ、種結晶の先端を融液に接触させる。温度を徐々に降下させながら、引上速度１．０ｍｍ／ｈｒの速度で種結晶を上昇させて結晶成長を行う。その結果、直径１０ｍｍ、直胴部の長さ８０ｍｍの単結晶合金が得られる。得られる単結晶合金からワイヤー放電加工により各測定用の試料形状に切り出す。 A FeGa single crystal cut out in the <100> orientation is used as a seed crystal, and the seed crystal is lowered to near the melt. The seed crystal is gradually lowered while rotating at 5 rpm, and the tip of the seed crystal is brought into contact with the melt. While gradually lowering the temperature, the seed crystal is raised at a pulling speed of 1.0 mm / hr to carry out crystal growth. As a result, a single crystal alloy having a diameter of 10 mm and a straight body portion length of 80 mm can be obtained. The obtained single crystal alloy is cut out into a sample shape for each measurement by wire electric discharge machining.
＜機械的強度（引張強度（ＭＰａ）および伸び（％））の測定＞
機械的強度の測定（引張試験）は、引張試験機を用いて室温環境（２５℃）で行う。合金試料の試験片をダンベル形状とし、固定部を直径６ｍｍ×長さ２０ｍｍ、くびれ部を直径３ｍｍ×長さ２０ｍｍとする。試験機のつかみ具間の距離を２０ｍｍに設定し、試験片を固定後、破断するまで軸方向に荷重を加える。伸び（％）は、試験前のつかみ具間の距離２０ｍｍに対する、破断時のつかみ具間の距離の増加分の割合とする。例えば試験片破断時のつかみ具間距離が４０ｍｍの場合、伸びは（４０−２０）／２０×１００＝１００（％）となる。
<Measurement of mechanical strength (tensile strength (MPa) and elongation (%))>
The measurement of mechanical strength (tensile test) is performed in a room temperature environment (25 ° C.) using a tensile tester. The test piece of the alloy sample has a dumbbell shape, the fixed portion has a diameter of 6 mm × a length of 20 mm, and the constricted portion has a diameter of 3 mm × a length of 20 mm. The distance between the grips of the testing machine is set to 20 mm, and after fixing the test piece, an axial load is applied until it breaks. The elongation (%) is the ratio of the increase in the distance between the grips at the time of breakage to the
＜磁歪量（ｐｐｍ）の測定＞
磁歪量測定は、一般的に用いられている歪ゲージ法により室温環境２５℃で行う。磁場発生装置には振動材料型磁力計を用い、磁場の強さは５０００Ｏｅとする。試験片の形状はワイヤー放電加工によって直径１０ｍｍ×厚み１ｍｍとし、厚み方向は、磁化容易軸である＜１００＞方位との角度ずれ０°とする。歪ゲージは、試料の上面に合金試料の＜１００＞方位と平行に貼り付け、磁場印加時の試料の歪量をデータロガーで記録する。磁歪量λは"λ"＝"λ//"−"λ⊥"（λ//は印加磁場方向と平行な方向に沿って測定した歪量、λ⊥は印加磁場方向と垂直な方向に沿って測定した歪量を指す）として評価する。即ち、磁歪量（ｐｐｍ）は、歪みゲージのゲージ軸に対して平行に磁場を印加した際の試料の歪みから、歪みゲージのゲージ軸に対して垂直に磁場を印加した際に測定される歪みを差し引いた値で表される。ここで示す磁歪量は５０００Ｏｅにおける磁歪量のことである。
<Measurement of magnetostriction (ppm)>
The magnetostrictive amount is measured at a room temperature environment of 25 ° C. by a commonly used strain gauge method. A vibration material type magnetometer is used as the magnetic field generator, and the strength of the magnetic field is 5000 Oe. The shape of the test piece is 10 mm in diameter and 1 mm in thickness by wire electric discharge machining, and the thickness direction is 0 ° with an angle deviation from the <100> orientation, which is an easy magnetization axis. The strain gauge is attached to the upper surface of the sample in parallel with the <100> orientation of the alloy sample, and the strain amount of the sample when a magnetic field is applied is recorded by a data logger. The magnetostrictive amount λ is "λ" = "λ //" − "λ⊥" (λ // is the amount of strain measured along the direction parallel to the applied magnetic field direction, and λ⊥ is along the direction perpendicular to the applied magnetic field direction. Refers to the amount of strain measured in the above). That is, the magnetostrictive amount (ppm) is the strain measured when a magnetic field is applied perpendicular to the gauge axis of the strain gauge from the strain of the sample when a magnetic field is applied parallel to the gauge axis of the strain gauge. It is represented by the value obtained by subtracting. The amount of magnetostriction shown here is the amount of magnetostriction at 5000 Oe.
引張試験および磁歪量の測定の結果を図３に示す表１に併せて示す。 The results of the tensile test and the measurement of the amount of magnetostriction are also shown in Table 1 shown in FIG.
ＦｅＧａ合金にＣｅを添加した実施例１−１〜３は、Ｃｅを添加していない比較例１−１〜３と同等の機械的特性（引張強度３５０ＭＰａ、伸び１％）を維持しつつ、磁歪量が大きく改善していることが分かる。これは、ＦｅやＧａよりも原子半径の大きいＣｅ添加により誘起される局所的なひずみ、およびＣｅのもつ４ｆ電子の四重極モーメントに起因する結晶磁気異方性によって、磁歪量が大きくなっていると考えられる。従って、機械的特性を維持しつつ磁歪量を向上させるためには、Ｃｅ添加が有効であることが分かる。
Examples 1-1 to 3 in which Ce was added to the FeGa alloy maintained magnetostriction while maintaining the same mechanical properties (
（実施例２および比較例２）
Ｃｅ添加が有効となるＣｅ含有率の範囲を明確にするため、図４の表２に示す実施例２−１〜１５および比較例２−１〜８に示す組成の合金試料を、上述の実施例１と同様に作製し、引張試験および磁歪量の測定を行う。
(Example 2 and Comparative Example 2)
In order to clarify the range of the Ce content in which the addition of Ce is effective, the alloy samples having the compositions shown in Examples 2-1 to 15 and Comparative Examples 2-1 to 8 shown in Table 2 of FIG. It is prepared in the same manner as in Example 1, and a tensile test and a magnetostrictive amount are measured.
図４の表２に測定結果も示す。尚、磁歪材料を振動発電デバイスに使用する場合、磁歪量が４００ｐｐｍ未満であると発電密度が０．３ｍＷ／ｃｍ３相当未満となるため４００ｐｐｍ以上６００ｐｐｍ未満を△、４００ｐｐｍ未満を×として判定する。 The measurement results are also shown in Table 2 of FIG. When the magnetostrictive material is used for a vibration power generation device, if the amount of magnetostriction is less than 400 ppm, the power generation density is less than 0.3 mW / cm 3, so 400 ppm or more and less than 600 ppm is judged as Δ, and less than 400 ppm is judged as ×.
また、本発明の磁歪材料をトルクセンサーに使用する場合、磁歪量６００ｐｐｍ以上であれば１．２５Ｖ／Ｎｍ相当以上の出力感度を得られ、電動アシスト自転車などに使用することができるため、特に、磁歪量６００ｐｐｍ以上６５０ｐｐｍ未満を□と判定する。
更に、磁歪材料を振動発電デバイスに使用する場合、磁歪量が６５０ｐｐｍ以上であると発電密度が０．５ｍＷ／ｃｍ３相当以上となり、用途拡張になるため６５０ｐｐｍ以上７００ｐｐｍ未満を〇として判定する。
Further, when the magnetostrictive material of the present invention is used for a torque sensor, an output sensitivity equivalent to 1.25 V / Nm or more can be obtained if the magnetostrictive amount is 600 ppm or more, and it can be used for an electrically assisted bicycle or the like. A magnetostrictive amount of 600 ppm or more and less than 650 ppm is judged as □.
Further, when a magnetostrictive material is used for a vibration power generation device, if the amount of magnetostriction is 650 ppm or more, the power generation density is equivalent to 0.5 mW / cm 3 or more, and since the application is expanded, 650 ppm or more and less than 700 ppm is judged as 〇.
実施例２の磁歪量は、いずれも４００ｐｐｍ以上となり、判定は全て△、□、〇のいずれかとなる。これは、ＦｅやＧａよりも原子半径の大きいＣｅ添加により誘起される局所的なひずみ、および、Ｃｅのもつ４ｆ電子の四重極モーメントに起因する結晶磁気異方性により、磁歪量を向上させることができるためだと考えられる。 The amount of magnetostriction in Example 2 is 400 ppm or more, and all the judgments are Δ, □, or 〇. This improves the amount of magnetostriction due to the local strain induced by the addition of Ce, which has an atomic radius larger than that of Fe and Ga, and the magnetocrystalline anisotropy caused by the quadrupole moment of 4f electrons of Ce. It is thought that this is because it can be done.
比較例２−１、２−３および２−４では、磁歪量が４００ｐｐｍ未満となり判定は×となる。これは、Ｃｅ含有量が少なく、十分な磁歪量向上効果を発現できないためだと考えられる。 In Comparative Examples 2-1, 2-3 and 2-4, the amount of magnetostriction is less than 400 ppm and the determination is x. It is considered that this is because the Ce content is low and the effect of improving the amount of magnetostriction cannot be sufficiently exhibited.
比較例２−２、２−５、２−７および２−８では、磁歪量が４００ｐｐｍ未満となり判定は×となる。これは、ＧａとＣｅの合計含有率が２０．５ａｔ％以上となり、不規則ｂｃｃ相から規則相（Ｄ０３、Ｌ１２）へと結晶構造が変化することで磁歪量が低下すると考えられる。 In Comparative Examples 2-2, 2-5, 2-7 and 2-8, the amount of magnetostriction is less than 400 ppm and the judgment is x. It is considered that the total content of Ga and Ce is 20.5 at% or more, and the amount of magnetostriction is reduced by changing the crystal structure from the irregular bcc phase to the ordered phase (D03, L12).
比較例２−６では、磁歪量が４００ｐｐｍ未満となり判定は×となる。これは、固溶限界を超えてＣｅを添加しているため、第２相が出現することで磁歪量が低下すると考えられる。 In Comparative Example 2-6, the amount of magnetostriction is less than 400 ppm, and the determination is x. This is because Ce is added beyond the solid solution limit, and it is considered that the amount of magnetostriction decreases due to the appearance of the second phase.
例えば、実施例２−１および２−３と比較例２−４とを比較すると、Ｃｅ含有率が同じでも、Ｇａ含有率が低いと磁歪量は４００ｐｐｍ未満となる。これは、ＦｅＧａ合金（Ｇａ含有率２０ａｔ％以下）において、Ｇａ含有率が低下するにつれて磁歪量が低下することに起因していると考えられる。 For example, comparing Examples 2-1 and 2-3 with Comparative Example 2-4, even if the Ce content is the same, the magnetostriction amount is less than 400 ppm when the Ga content is low. It is considered that this is because the amount of magnetostriction decreases as the Ga content decreases in the FeGa alloy (Ga content of 20 at% or less).
これらの実施例および比較例の結果を、Ｇａ含有率およびＣｅ含有率と磁歪量の関係として図１に示す。縦軸はＣｅ含有率、横軸はＧａ含有率であり、●は実施例２−１〜１５の磁歪量を示し、〇は比較例２−１〜８の磁歪量を表している。図１に示すように、磁歪量が４００ｐｐｍ以上となる境界が存在し、その境界の近似線は、図示するように、それぞれｙ＝０．４５ｘ−１．７５、ｙ＝−０．９８ｘ＋１９．７、ｙ＝−０．０２７ｘ＋０．６３３である。即ち、図１のグラフ中の三角形で示す、前記近似線で囲まれた線上を含む領域内部であれば、磁歪量が４００ｐｐｍ以上となる。 The results of these Examples and Comparative Examples are shown in FIG. 1 as the relationship between the Ga content and Ce content and the amount of magnetostriction. The vertical axis represents the Ce content, the horizontal axis represents the Ga content, ● indicates the amount of magnetostriction of Examples 2-1 to 15, and ◯ indicates the amount of magnetostriction of Comparative Examples 2-1 to 8. As shown in FIG. 1, there is a boundary where the amount of magnetostriction is 400 ppm or more, and the approximate lines of the boundary are y = 0.45x-1.75 and y = −0.98x + 19.7, respectively, as shown in the figure. , Y = −0.027x + 0.633. That is, the amount of magnetostriction is 400 ppm or more within the region including the line surrounded by the approximate line shown by the triangle in the graph of FIG.
更に、図１中の磁歪量が４００ｐｐｍ以上であった黒丸部（●）のうち、特に、磁歪量が６００ｐｐｍ以上６５０ｐｐｍ未満である箇所を□で、磁歪量が６５０ｐｐｍ以上７００ｐｐｍ未満である箇所を〇で表したものを図２に示す。また、図１中で示した磁歪量が４００ｐｐｍ以上となる領域を示す三角形を破線で示す。 Further, among the black circles (●) in FIG. 1 in which the amount of magnetostriction was 400 ppm or more, the part where the amount of magnetostriction is 600 ppm or more and less than 650 ppm is □, and the part where the amount of magnetostriction is 650 ppm or more and less than 700 ppm is 〇. The one represented by is shown in FIG. Further, the triangle showing the region where the amount of magnetostriction shown in FIG. 1 is 400 ppm or more is shown by a broken line.
図２より、磁歪量が６００ｐｐｍ以上６５０ｐｐｍ未満となる境界が存在し、境界に沿って近似線を求めると、それぞれｙ＝０．２２４ｘ−１．７４、ｙ＝−０．５３３ｘ＋１０．２３、ｙ＝−０．０３４ｘ＋０．８４１となる。これらの境界線上または境界線で囲まれた領域内では６００ｐｐｍ以上の磁歪量となる。 From FIG. 2, there is a boundary where the amount of magnetostriction is 600 ppm or more and less than 650 ppm, and when an approximate line is obtained along the boundary, y = 0.224x-1.74, y = −0.533x + 10.23, y =, respectively. It becomes −0.034x + 0.841. The amount of magnetostriction is 600 ppm or more on these boundaries or in the region surrounded by the boundaries.
更に、磁歪量が６５０ｐｐｍ以上７００ｐｐｍ未満となる境界が存在し、境界に沿って近似線を求めると、それぞれｙ＝０．６、ｙ＝−ｘ＋１８、ｙ＝０．４、ｙ＝−ｘ＋１６となる。これらの境界線上または境界線で囲まれた領域内では６５０ｐｐｍ以上の磁歪量となる。 Further, there is a boundary in which the amount of magnetostriction is 650 ppm or more and less than 700 ppm, and when an approximate line is obtained along the boundary, y = 0.6, y = -x + 18, y = 0.4, and y = -x + 16, respectively. .. The amount of magnetostriction is 650 ppm or more on the boundary line or in the region surrounded by the boundary line.
（実施例３）
磁歪材料を切り出して部材を作製する際の、部材軸と＜１００＞方位との角度ずれが、磁歪量に及ぼす影響を調べる。２０ａｔ％のＧａおよび０．１ａｔ％のＣｅを含み、残部はＦｅである合金試料を実施例１と同様の方法で作製する。得られる合金からワイヤー放電加工により、直径１０ｍｍ×厚み１ｍｍの形状に合金試料の試験片を切り出して磁歪部材を得る。図５の表３に示すように、＜１００＞方位に対する磁歪部材の厚み方向（部材軸に対応）の角度ずれを０°〜１２°の範囲で種々変え、その時の磁歪量を測定する。
(Example 3)
The effect of the angular deviation between the member axis and the <100> orientation on the amount of magnetostriction when the magnetostrictive material is cut out to produce a member is investigated. An alloy sample containing 20 at% Ga and 0.1 at% Ce and the balance being Fe is prepared in the same manner as in Example 1. A magnetostrictive member is obtained by cutting out a test piece of an alloy sample into a shape having a diameter of 10 mm and a thickness of 1 mm by wire electric discharge machining from the obtained alloy. As shown in Table 3 of FIG. 5, the angular deviation of the magnetostrictive member in the thickness direction (corresponding to the member axis) with respect to the <100> direction is variously changed in the range of 0 ° to 12 °, and the amount of magnetostriction at that time is measured.
得られる磁歪部材の磁歪量を実施例１と同様に測定し、その結果を図５の表３に示す。ここで示す磁歪量は５０００Ｏｅにおける磁歪量であり、４００ｐｐｍ以上を「ＯＫ」、４００ｐｐｍ未満については、ほぼ４００ｐｐｍであるので「ＯＫ相当」と判定する。 The amount of magnetostriction of the obtained magnetostrictive member was measured in the same manner as in Example 1, and the results are shown in Table 3 of FIG. The amount of magnetostriction shown here is the amount of magnetostriction at 5000 Oe, and it is determined that 400 ppm or more is “OK” and less than 400 ppm is approximately 400 ppm, so that it is “equivalent to OK”.
角度ずれ１０°以下とした実施例３−１〜６においては、磁歪量が４００ｐｐｍ以上と良好な結果が得られる。これは、作製したＦｅＧａＣｅ合金の磁歪部材の軸、即ち、磁化容易軸が＜１００＞方位から大きくずれていないためである。従って、良好な磁歪特性を得るためには、磁歪部材の軸と結晶軸の＜１００＞方位との角度ずれを１０°以下に抑えることが有効であることが分かる。しかしながら、実施例３−７および８の結果は、磁歪量が４００ｐｐｍ未満であるが、ほぼ４００ｐｐｍであり、十分な磁歪量であると言える。従って、本発明の磁歪材料から磁歪部材を作製する場合、磁歪部材の軸と＜１００＞方位との角度ずれは、１０°以下であるのが特に好ましく、そのような本発明の磁歪部材は特に向上した磁歪量を有することは明らかである。 In Examples 3-1 to 6 in which the angle deviation is 10 ° or less, a good result is obtained with the magnetostrictive amount of 400 ppm or more. This is because the axis of the magnetostrictive member of the produced FeGaCe alloy, that is, the axis for easy magnetization does not deviate significantly from the <100> direction. Therefore, in order to obtain good magnetostrictive characteristics, it is effective to suppress the angular deviation between the axis of the magnetostrictive member and the <100> orientation of the crystal axis to 10 ° or less. However, the results of Examples 3-7 and 8 show that the amount of magnetostriction is less than 400 ppm, but it is approximately 400 ppm, which can be said to be a sufficient amount of magnetostriction. Therefore, when a magnetostrictive member is produced from the magnetostrictive material of the present invention, the angular deviation between the axis of the magnetostrictive member and the <100> orientation is particularly preferably 10 ° or less, and such a magnetostrictive member of the present invention is particularly preferable. It is clear that it has an improved amount of magnetostriction.
本発明の磁歪材料は、磁歪量が大きく、また、機械的強度に優れた材料である。従って、例えば、磁歪式振動発電デバイス、磁歪式センサー、アクチュエーター等のＩｏＴデバイスのような電気デバイスに好適である。 The magnetostrictive material of the present invention has a large amount of magnetostriction and is excellent in mechanical strength. Therefore, for example, it is suitable for electric devices such as magnetostrictive vibration power generation devices, magnetostrictive sensors, actuators and other IoT devices.
Claims (6)
（式中、ｘおよびｙは、原子％（ａｔ％）で表すＧａ含有率およびＣｅ含有率である）
で表されることを特徴とするＦｅＧａＣｅ合金から成る磁歪材料であって、
ｙ≧０．４５ｘ−１．７５、
ｙ≧−０．９８ｘ＋１９．７、および
ｙ≦−０．０２７ｘ＋０．６３３
を満足する磁歪材料。 Fe (100-x-y) Ga x Ce y
(In the formula, x and y are Ga content and Ce content expressed in atomic% (at%))
A magnetostrictive material made of a FeGaCe alloy, which is represented by.
y ≧ 0.45x-1.75,
y ≧ −0.98x + 19.7, and y ≦ −0.027x + 0.633
A magnetostrictive material that satisfies.
ｙ≦−０．５３３ｘ＋１０．２３、および
ｙ≧−０．０３４＋０．８４１
を満足することを特徴とする請求項１に記載の磁歪材料。 y ≦ 0.224x-1.74,
y ≦ −0.533x + 10.23, and y ≧ −0.034 + 0.841
The magnetostrictive material according to claim 1, wherein the magnetostrictive material satisfies the above.
ｙ≦−ｘ＋１８、および
ｙ≧−ｘ＋１６
を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の磁歪材料。 0.4 ≤ y ≤ 0.6
y≤-x + 18, and y≥-x + 16
The magnetostrictive material according to claim 1 or 2, wherein the magnetostrictive material satisfies the above.
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