JP2021158265A - 磁歪材料およびそれを用いた磁歪式デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】大きい磁歪量を示し、かつ機械的強度に優れた磁歪材料を提供する。【解決手段】磁歪材料は、下記式（１）：Ｆｅ（１００−ｘ−ｙ）ＧａｘＥｒｙ・・・（１）（式（１）中、ｘおよびｙは、それぞれＧａ含有率（ａｔ％）およびＥｒ含有率（ａｔ％）であり、４つの不等式：ｙ≦−１．５ｘ＋３１．０、ｙ≧１．０、ｙ≦４．０およびｘ≧１７．０を満たす）で表されるＦｅＧａＥｒ合金から成る。【選択図】図５

Description

本発明は、ＦｅＧａ系合金から成る磁歪材料、特にＦｅＧａＥｒ系合金磁歪材料に関する。更に、本発明は、そのような磁歪材料を用いてその磁歪効果を利用した磁歪式デバイスに関する。磁歪材料は、例えば磁歪式振動発電デバイスに使用できる。

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およびコストの面で電源確保が困難となる。そのため、ＩｏＴ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。こうした背景に基づくと、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である「エネルギーハーベスティング」が重要と考えられる。エネルギー源の１つである振動は、自動車、鉄道、機械、または人等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まかなうシステムの構築が、ＩｏＴの実現の糸口になり得ると考えられる。

振動発電の発電方式は、磁歪式、圧電式、静電誘導式、および電磁誘導式の４種に分類される。磁歪式は、応力を加えることで磁歪材料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、磁歪材料として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。

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り、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や工場内センサーネットワークに磁歪式振動発電デバイスを適用する場合、約０．３ｍＷ／ｃｍ^３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。

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、例えば特許文献１に記載されているＢを１ａｔ％以上２ａｔ％以下、Ａｌを４ａｔ％以上７ａｔ％以下、Ｇａを１２ａｔ％以上１４ａｔ％以下含み、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、ホウ素等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。

特開２００８−６９４３４号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている磁歪材料は、機械的強度に優れるものの、磁歪量は約５０ｐｐｍと小さく、振動発電デバイスの小型化を実現できない。

本発明は、上述の従来の課題の磁歪材料と比較して、磁歪量を向上させる、例えば４００ｐｐｍ以上の磁歪量をもたらしながらも、同等の機械的強度を有する磁歪材料を提供することを課題とする。

本発明の１つの要旨によれば、次式（１）：
Ｆｅ_{（１００−ｘ−ｙ）}Ｇａ_ｘＥｒ_ｙ・・・（１）
（式（１）中、ｘおよびｙは、それぞれＧａ含有率（ａｔ％）およびＥｒ含有率（ａｔ％）であり、４つの不等式：ｙ≦−１．５ｘ＋３１．０、ｙ≧１．０、ｙ≦４．０およびｘ≧１７．０を満たす）
で表されるＦｅＧａＥｒ合金から成る磁歪材料が提供される。

即ち、本発明の磁歪材料において、合金を構成するＧａ、ＥｒおよびＦｅの原子数を基準として、Ｇａの含有率（ａｔ％または原子％）がｘ％であり、また、Ｅｒの含有率（ａｔ％または原子％）がｙ％であり、Ｆｅの含有率（ａｔ％または原子％）は、（１００−ｘ−ｙ）％となる。従って、ｘ−ｙ直交座標系において、点（ｘ，ｙ）は、４つの直線：ｙ＝−１．５ｘ＋３１．０、ｙ＝１．０、ｙ＝４．０、およびｘ＝１７．０を満足する線上またはこれらの直線によって囲まれる領域内に存在する。このような組成を有する磁歪材料は、従来の磁歪材料と比較して、向上した磁歪量、例えば４００ｐｐｍ以上の磁歪量を達成できる。

尚、本発明の磁歪材料は、本発明の磁歪材料を得るに際して用いる原料に不可避的に含まれる他の元素を含んでもよい。具体的には、本発明の磁歪材料は、微量元素として例えば酸素を０．００５ａｔ％未満の量で含んでいてもよい。別の態様では、磁歪量が例えば４００ｐｐｍ以上であり、かつ、従来の磁歪材料と同等の引張強度（例えば３５０ＭＰａ以上の引張強度）を有する限り、本発明の磁歪材料は、必要に応じて他の元素を含むことを排除するものではない。

本発明の磁歪材料の好ましい１つの態様では、Ｇａの含有率ｘ（ａｔ％）およびＥｒの含有率ｙ（ａｔ％）が、１８≦ｘ≦１９および１．０≦ｙ≦１．５を満足し、より大きい磁歪量、例えば４９０ｐｐｍ以上の磁歪量を達成できる。

本発明の別の要旨によれば、上述の磁歪材料から形成される、所定の構造を有する磁歪素子が提供される。この磁歪素子は、振動発電デバイスのような磁歪式デバイスにて用いられ、磁歪効果または逆磁歪効果によって意図するデバイスの機能を発現できるように適切に選択された構造（例えば形状、寸法等）を有する。

本発明の更に別の要旨によれば、上述の本発明の磁歪材料を磁歪素子として有する磁歪式デバイスが提供される。このデバイスにおいて、磁歪材料の磁歪効果による寸法変化を予定している方向（「寸法変化予定方向」とも呼ぶ）に対する、磁歪材料が最大限に歪むことができる方向（「最大歪み可能方向」と呼ぶ）の角度的なずれ（即ち、これらの方向の角度差）が０°〜１０°となるように磁歪素子が配置されている。

本発明によれば、既知の磁歪材料との比較において、磁歪量が向上し、例えば少なくとも４００ｐｐｍであり、かつ、機械的強度が同等に優れ、好ましくは向上した磁歪材料を提供することができる。

実施形態における磁歪式デバイスの寸法変化の予定方向（α１）に対して、磁歪材料の最大歪み可能方向（β１）が０°の角度的なずれとなるように構成されている１例を上方から見た概略図である。 実施形態における磁歪式デバイスの寸法変化の予定方向（α２）に対して、磁歪材料の最大歪み方向（β２）がθの角度的なずれとなるように構成されている１例を上方から見た概略図である。 図３は、実施例１および比較例１における合金の組成（元素の混合率）、ならびにその合金の機械的強度および磁歪量を示す表１である。 図４は、実施例２および比較例２における合金の組成（元素の混合率）、ならびにその合金の磁歪量を示す表２である。 図５は、本発明の実施形態において、磁歪量４００ｐｐｍ以上となる、Ｇａ含有率（ｘ軸）とＥｒ含有率（ｙ軸）の関係が分かるように、実施例および比較例の合金の組成をプロットしたｘ−ｙ直交座標系のグラフを示す。 図６は、本発明の実施形態において、磁歪量４９０ｐｐｍ以上となる、Ｇａ含有率（ｘ軸）とＥｒ含有率（ｙ軸）の関係が分かるように、実施例および比較例の合金の組成をプロットしたｘ−ｙ直交座標系のグラフを示す。 図７は、実施例３および比較例３における合金の組成（元素の混合率）、ならびにその合金の角度的なずれおよび磁歪量を示す表３である。

以下、本発明の実施形態における磁歪材料およびその製造方法、磁歪素子ならびに磁歪式デバイスについて説明するが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではない。

本実施形態における磁歪材料は、次式（１）：
Ｆｅ_{（１００−ｘ−ｙ）}Ｇａ_ｘＥｒ_ｙ・・・（１）
（式中、添字１００−ｘ−ｙ、ｘおよびｙはそれぞれ対応する元素の原子％（ａｔ％）であり、Ｇａ含有率ｘ（ａｔ％）をｘ軸とし、Ｅｒ含有率ｙ（ａｔ％）をｙ軸とするｘ−ｙ直交座標系において、点（ｘ，ｙ）は４本の直線：ｙ＝−１．５ｘ＋３１、ｙ＝１．０、ｙ＝４．０、およびｘ＝１７．０によって囲まれた領域内（但し、この領域を囲む線上を含む)に位置する）
で表されるＦｅＧａＥｒ合金から実質的に成る。

本開示において「磁歪材料」とは、磁界が印加されることによって寸法変化を生じ得る材料を意味し、その製造には、本発明のＦｅＧａＥｒ合金から成る磁歪材料を得ることができる限り、いずれの適切な既知の製造方法を用いてもよい。

得られた本発明の磁歪材料を既知の適切な方法（例えばワイヤー放電加工）によって加工して、本発明の磁歪素子を得ることができる。磁歪素子は、任意の適切な構造（例えば形状および寸法等）を有してよい。例えば、バルク状（または塊状）、例えば円柱形状、立方体形状、直方体形状またはその他の立体形状を有してよく、あるいはシート状、例えば円形、楕円形、矩形またはその他の平面形状（または表面）を有するシート（あるいは薄膜状、薄帯状等）であってよい。更に、これらの形状の種々の組み合わせであってもよい。

本開示において、元素の「含有率」とは、ＦｅＧａＥｒ合金の総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。本開示において、「含有率」は、合金を得るに際して仕込む原料に含まれる元素の割合と同等であると考えてよい。ＦｅＧａＥｒ合金を電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）で分析することにより、各元素の含有率を測定してもよい。

本発明の磁歪材料において、Ｅｒ含有率が上述の領域内にあることによって、ＦｅやＧａよりも原子半径の大きいＥｒ添加により誘起される局所的なひずみ、およびＥｒ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への影響により、特許文献１に記載されたＦｅＧａＡｌ系合金と比較して、同等の機械的強度を保持しつつ磁歪量の向上を実現することができる。

尚、本開示において、「磁歪量」は、磁歪材料における磁歪効果による寸法変化の割合をいう。より詳細には、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。

本発明の磁性材料は、特に好ましい実施態様では、上記式（１）中、Ｇａの含有率ｘ（ａｔ％）およびＥｒの含有率ｙ（ａｔ％）が、１８．０≦ｘ≦１９．０および１．０≦ｙ≦１．５を満足し、それによって、より大きい磁歪量、例えば４９０ｐｐｍ以上の磁歪量を実現できる。

本発明の磁歪材料において、ＦｅＧａＥｒ合金はいずれの適切な結晶構造を有してもよく、例えば、磁歪材料は単結晶または多結晶であってよい。磁歪材料を構成するＦｅＧａＥｒ合金は、単結晶であるのが特に好ましく、一般的には大きい磁歪量を実現できる。

本発明によれば、上述のような磁歪材料を含む磁歪式デバイスも提供される。本開示において「磁歪式デバイス」とは、本発明の磁歪材料を磁歪素子として含むものを意味する。このデバイスの１つの態様では、本発明の磁歪式デバイスは、そのような磁歪材料を、デバイスの構成要素である磁歪素子として含み、それを利用してエネルギー（例えば発電エネルギー）を取り出し得る構造となっている。例えば、磁歪式振動発電デバイス、磁歪式センサーまたは磁歪式アクチュエーター等の種々の磁歪式デバイスを本発明の磁歪式デバイスとして挙げることができる。これらのデバイスには、本発明の磁歪材料が各々のデバイスに適した所定の構造（例えば形状および／または寸法等）を有する磁歪素子としてその一部に含まれる。

一般的に、磁歪式デバイスは、それに含まれる磁歪素子としての磁歪材料が予定方向に沿って寸法変化する時に、磁歪効果が最大限に生じて最も効果的に機能するように設計される。そのためには、寸法変化を予定している方向（「寸法変化予定方向」）と、磁歪材料が最大限に歪むことができる方向（「最大歪み可能方向」）とが可及的に一致する（または平行になる）ことが望ましい。一致しない場合、即ち、一方の方向が他方の方向に対して傾斜している場合、これらの方向の角度的なずれ（または一方の方向に対する他方の方向の角度差）は可及的に０°に近いのが好ましい。

本開示において、磁歪材料の「寸法変化予定方向」とは、デバイスに含まれる磁歪素子の寸法が変化すべき方向であり、磁歪式デバイスの用途（または機能）に応じて発現すべき磁歪効果に基づいて所定の方向が選択される。通常、デバイスの用途に応じて、寸法変化予定方向に加えて、素子としての磁歪材料の構造（形状、寸法等）が決まる。

「寸法変化予定方向」とは、例えば磁歪式デバイスからエネルギーを取り出すために、磁歪式デバイスにおいて磁歪材料が寸法変化することが予定または所望される方向であって、磁歪式デバイスにおける磁歪材料への磁場の印加方向ならびに磁歪式デバイスの形状、構造および／または用途等に応じて定められ得る方向である。本開示において、磁歪式デバイスの寸法変化予定方向に対する、磁歪材料の最大歪み可能方向の角度的なずれは、磁歪材料が磁歪式デバイスに組み込まれた状態を想定して決定される。

本開示において、磁歪材料の「最大歪み可能方向」とは、磁歪材料に対して磁場を印加した場合に、磁歪材料の歪み（寸法変化割合）が最大となる方向を意味する。磁歪材料が単結晶である場合、＜１００＞方位が容易磁化方向であり、この方向が磁歪材料の「最大歪み可能方向」となる。磁歪材料の結晶構造が不明な場合、例えば多結晶である場合には、磁歪材料の「最大歪み可能方向」は、例えば、磁場の印加方向を適宜調整しながら磁歪材料の任意方向における歪みを測定して試行錯誤的に「磁歪材料の最大歪み方向」を決定できる。

従って、本発明の磁歪式デバイスにおいて、それに含まれる磁歪材料の「寸法変化予定方向」に対する、磁歪材料の「最大歪み可能方向」の角度的なずれは、好ましくは０°〜１０°の範囲内、より好ましくは０°〜８°の範囲内、更により好ましくは０°〜６の範囲内°、最も好ましくは０°〜４°の範囲内、特に最も好ましくは実質的に０°である。この角度的なずれを１０°以下の範囲として可及的に小さくすると、（角度的なずれが１０°を超える場合と比較して）より効率的に磁歪特性を得ることができる。例えば、１つの態様では。同じ磁場印加でより大きい磁歪量が得られ、あるいは、より小さい磁場印加で同等の磁歪量が得られると考えられる。

磁歪式デバイスの具体的な例について、図面を参照しながら説明する。図１は、実施形態における磁歪式デバイスの寸法変化の予定方向に対して、磁歪素子としての磁歪材料の最大歪み方向が０°の傾斜角度をなすように構成されている１例を上方から見た概略図である。図１に示すように、磁歪式デバイス１は、その寸法変化予定方向α１に対して、上述のように決定される磁歪材料２の最大歪み可能方向β１は平行となっており、即ち、０°の角度的なずれとなっている。

図２は、実施形態における磁歪式デバイスの寸法変化の予定方向に対して、磁歪材料の最大歪み方向がθの傾斜角度をなすように構成されている１例を上方から見た概略図である。図２に示すように、磁歪式デバイス２は、その寸法変化予定方向α２に対して、前述の手法により決定される磁歪材料４の最大歪み可能方向β２はθの角度的なずれをなしている。この場合、θは、前述したように、０°以上１０°以下の角度的なずれをなし得る。このような傾斜角度で構成され得ることによって、より効率的に磁歪材料による磁歪特性を得ることができる。

本実施形態にかかる磁歪材料の製造方法は、所定の組成を有するＦｅＧａＥｒ合金の磁歪材料が得られる方法であれば、任意の適切な合金製造方法を用いることができ、特に限定されない。例えば、チョクラルスキー法（ＣＺ法）、ブリッジマン法、または急冷凝固法等が挙げられる。ＣＺ法により製造すると、大型の結晶において、化学組成および結晶方位を精度良く製造することができる。

以下、本発明を実施例および比較例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
実施例１では、ＦｅＧａ合金にＥｒを添加したＦｅＧａＥｒ合金の試料を作製して、機械的強度および磁歪量の測定を行い、Ｅｒが含まれていることの有効性を確認する。

＜ＦｅＧａＥｒ合金の測定用試料の作製＞
図３の表１に示す、Ｇａ含有率（ａｔ％）およびＥｒ含有率（ａｔ％）と、残部のＦｅ含有率（ａｔ％）とで構成される複数のＦｅＧａＥｒ合金の試料（実施例１−１〜実施例１−３および比較例１−１〜比較例１−３）を準備する。

各合金試料を作製するため、まず、電子天秤を用いて鉄（純度９９．９９９％）、ガリウム（純度９９．９９９％）およびエルビウム（純度９９．９％）をそれぞれ秤量する。尚、表１中の各元素の含有率（ａｔ％）はこの秤量する量に基づく。

各合金試料は、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、秤量した合金試料４００ｇを投入する。炉内を真空にした後、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、融液となるまで、１２時間かけて加熱する。＜１００＞方位に切り出したＦｅＧａ単結晶を種結晶として用い、種結晶を融液の近くまで降下させる。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て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。ワイヤー放電加工によって、得られる単結晶合金を以下に述べる測定用の各試料形状に切り出す。

＜機械的強度（引張強度（ＭＰａ）および伸び（％））の測定＞
機械的強度の測定は、引張試験機を用いて室温環境下（２５℃）で行う。測定のための試料は、ダンベル形状の試験片とし、固定部を直径６ｍｍ×長さ２０ｍｍとし、くびれ部を直径３ｍｍ×長さ２０ｍｍとする。試験機のつかみ具間距離を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距離２０ｍｍに対する、破断時のつかみ具間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。

＜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みゲージ法によって室温環境下（２５℃）で行う。磁場発生装置には振動材料型磁力計を用いる。磁場の強さは５０００Ｏｅとする。測定のための試料は、上述の単結晶合金（直径１０ｍｍ×直胴部の長さ８０ｍｍ）から直径１０ｍｍ×厚み１ｍｍのシート形状に切り出したもの使用する。尚、厚み方向は、ＦｅＧａＥｒ合金の磁化容易軸である＜１００＞方位との角度的なずれが０°となるように切り出す。

歪みゲージは測定用試料の上面に、貼り付ける。この際、歪みゲージをＦｅＧａＥｒ合金の＜１００＞方位に対して平行となるように貼付する。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（λ_／／）と、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の試料の歪み（λ_⊥）とをデータロガーで記録する。記録された数値から、磁歪量λ（ｐｐｍ）を、λ（ｐｐｍ）＝λ_／／−λ_⊥として算出し、評価する。ここで示す磁歪量は５０００Ｏｅにおける磁歪量のことである。

図３の表１に、実施例１−１〜実施例１−３および比較例１−１〜比較例１−３のＦｅＧａＥｒ合金の各試料の合金組成と併せて、機械的強度（引張強度および伸び）ならびに磁歪量の測定の結果を示す。

表１に示すように、ＦｅＧａ合金にＥｒを添加した実施例１−１〜実施例１−３は、Ｅｒを添加していない比較例１−１〜比較例１−３と比較して、同等の機械的強度（引張強度３５０ＭＰａ程度、例えば４００ＭＰａ以上、伸び１％程度）を保持しつつ、磁歪量が４００ｐｐｍ以上であり、大きく向上していることが分かる。これは、Ｅｒの添加に起因する局所的なひずみおよび４ｆ電子の四重極モーメントに起因する結晶磁気異方性への影響のために、磁歪量が向上するものと考えられる。従って、機械的特性を保持しつつ磁歪量を向上させるためにはＥｒの添加が有効であることが分かる。

（実施例２）
実施例２では、ＦｅＧａＥｒ合金においてＥｒ含有率（ａｔ％）を種々変化させた試料を作製して、磁歪量を測定し、Ｅｒの添加が有効となるＥｒ含有率（ａｔ％）の範囲を明確化する。即ち、Ｅｒの存在が実質的に有効となるＥｒ含有率の範囲を明確にするため、図２の表２に示すように、種々の元素割合の合金試料を準備して実施例２−１〜２−１２および比較例２−１〜２−８に示す磁歪材料を作製し、磁歪量測定を行う。

（実施例２−１）
磁歪材料には、Ｇａの含有率が１７．０ａｔ％、Ｅｒの含有率が１．０ａｔ％であり残部がＦｅである合金を準備する。上述の実施例１と同様に、高周波誘導加熱型ＣＺ炉を用いて作製し、得られるＦｅＧａＲｅ合金から測定用試料を切り出し、磁歪量を測定する。

（実施例２−２〜１２）
表２に示す元素含有率とする以外は実施例２−１を繰り返し、磁歪量を測定する。

（比較例２−１〜８）
表２に示す元素含有率とする以外は実施例２−１を繰り返し、磁歪量を測定する。

＜磁歪量（ｐｐｍ）の測定および判定＞
各試料の磁歪量（ｐｐｍ）の測定用試料の形状および測定方法は上述の実施例１の方法と同様である。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／ｃｍ^３未満となる。そのため、磁歪量（ｐｐｍ）の有効性に関して、４００ｐｐｍ以上を「〇」とし、４００ｐｐｍ未満を「×」として判定する。更に、磁歪材料をトルクセンサーに使用する場合、磁歪量が４９０ｐｐｍ以上であれば１Ｖ／Ｎｍ以上の出力感度が得られ、例えば電動アシスト自転車等に使用することができるため好都合である。そこで、磁歪量が４９０ｐｐｍ以上である試料を「◎」と判定する。

表２には、実施例２−１〜実施例２−１２および比較例２−１〜比較例２−８のＦｅＧａＥｒ合金の各試料の元素含有率の他、磁歪量および判定の結果を示す。

表２から分かるように、実施例２−１〜２−１２の磁歪量は４００ｐｐｍ以上となり、判定は全て「〇」または「◎」となっている。これは、ＦｅおよびＧａより原子半径の大きいＥｒを添加することによって誘起される局所的な歪みおよびＥｒ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の影響により、磁歪量を向上させることができるためだと考えられる。

比較例２−１〜２−４では、磁歪量が４００ｐｐｍ未満となり、判定は「×」である。これは、Ｅｒ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であると考えられる。

比較例２−６では、磁歪量が４００ｐｐｍ未満となり、判定は「×」である。これは、固溶限界を超えてＥｒを添加しているため、第２相が出現することによって磁歪量が低下すると考えられる。

比較例２−７では、磁歪量が４００ｐｐｍ未満となり、判定は「×」である。これは、ＧａとＥｒの合計含有率が２２．５ａｔ％と高く、不規則ｂｃｃ相から規則相（Ｄ０_３、Ｌ１_２）へと結晶構造が変化することによって磁歪量が低下すると考えられる。

また、比較例２−５の結果を実施例２−９の結果と比較すると、同じＥｒ含有率であっても、Ｇａ含有率が低いと磁歪量は４００ｐｐｍ未満である。これは、ＦｅＧａ合金（但し、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。

図５は、実施例２における磁歪量４００ｐｐｍ以上となるＧａ含有率とＥｒ含有率との関係を表す図である。縦軸はＥｒ含有率（ａｔ％）であり、横軸はＧａ含有率（ａｔ％）である。黒丸部（●）は、実施例２−１〜実施例２−１２における磁歪量が４００ｐｐｍ以上である箇所を表している。白丸部（〇）は、比較例２−１〜比較例２−８における磁歪量が４００ｐｐｍ未満である箇所を表している。図５に示すように、Ｅｒ含有率とＧａ含有率との関係において、磁歪量が４００ｐｐｍ以上となる領域が存在すると判断できる。この領域の最外部に沿った近似線を４本の直線（図３の一点鎖線）として求めると、それぞれ、ｙ＝−１．５ｘ＋３１．０、ｙ＝１．０、ｙ＝４．０、およびｘ＝１７．０となる。

容易に理解できるように、磁歪材料のＥｒ含有率ｙ（ａｔ％）とＧａ含有率ｘ（ａｔ％）で表される点（ｘ，ｙ）が、図３において一点鎖線で示すこれらの近似線で囲まれた領域の内部（但し、線上を含む）に存在すれば、磁歪材料の磁歪量が４００ｐｐｍ以上となる。即ち、磁歪材料が、式（１）：
Ｆｅ_{（１００−ｘ−ｙ）}Ｇａ_ｘＥｒ_ｙ・・・（１）
（式（１）中、ｘおよびｙは、それぞれＧａ含有率（ａｔ％）およびＥｒ含有率（ａｔ％）であり、ｙ≦−１．５ｘ＋３１．０、ｙ≧１．０、ｙ≦４．０およびｘ≧１７．０を満たす）
で表されるＦｅＧａＥｒ合金から成る場合、磁歪量が４００ｐｐｍ以上となる。

更に、磁歪量が４００ｐｐｍ以上であった黒丸部のうち、特に磁歪量４９０ｐｐｍ以上となるＧａ含有率ｘとＥｒ含有率ｙとの関係を図６に示す。具体的には、図６は、磁歪量が４００ｐｐｍ以上である黒丸部（●）のうち、特に、磁歪量が４９０ｐｐｍ以上である箇所を二重丸部（「◎」）で表した図である。

図６から分かるように、図５の一点鎖線によって囲まれた領域の内側に、磁歪量が４９０ｐｐｍ以上となる領域が存在し、その領域の境界を規定する直線は、それぞれ、ｘ＝１８．０、ｘ＝１９．０、ｙ＝１．０およびｙ＝１．５であることが分かる。従って、本発明の磁歪材料が図６の斜線で示される領域に含まれる組成を有する場合、ｘおよびｙは、１８．０≦ｘ≦１９．０かつ１．０≦ｙ≦１．５を満たし、その時の磁歪量は４９０ｐｐｍ以上となる。

即ち、本発明の磁歪材料において、ｘおよびｙで表される点（ｘ，ｙ）が図６にて破線で示す近似直線で囲まれた領域の内側（線上を含む）に存在すれば、換言すれば、ｘおよびｙが１８．０≦ｘ≦１９．０および１．０≦ｙ≦１．５を満足する場合、磁歪量が４９０ｐｐｍ以上の磁歪材料となることが明らかである。

これより、磁歪量４００ｐｐｍ以上の磁歪材料を得るには、組成式：Ｆｅ_{（１００−ｘ−ｙ）}Ｇａ_ｘＥｒ_ｙで表される磁歪材料において、Ｇａ含有率をｘ％、Ｅｒ含有率をｙ％とした場合、４直線：ｙ＝−１．５ｘ＋３１．０、ｙ＝１．０、ｙ＝４．０、ｘ＝１７．０で囲まれた領域内部（線上を含む）である必要があり、好ましくは１８．０≦ｘ≦１９．０かつ１．０≦ｙ≦１．５であろ。その場合には４９０ｐｐｍの磁歪量を達成できる。

（実施例３）
ＦｅＧａＥｒ単結晶合金から磁歪量測定用の磁歪材料を切り出す際の、寸法変化予定方向としての試料の長手方向軸と単結晶合金の＜１００＞方位との角度的なずれが、磁歪量に及ぼす影響を調べるため、図７の表３に示すように実施例３−１〜３−６および比較例３−１〜３−２に示す磁歪材料を作成し、磁歪量測定を実施する。尚、実施例３は、角度的なずれを種々変えることを除いて実施例１と同様に実施する。

角度的なずれを１０°以下とした実施例３−１〜３−６においては、磁歪量が４００ｐｐｍ以上となり、同様の合金組成を有する比較例３−１および比較例３−２と比較して、良好な結果が得られる。これは、作製したＦｅＧａＥｒ合金の磁化容易軸が＜１００＞方位であり、その方位に沿って最大限に歪むことができるためである。従って、良好な磁歪特性を得るためには、寸法変化予定方向である試料軸と磁歪材料の＜１００＞方位との角度的なずれを１０°以下に抑えることが有効であることが分かる。従って、より効率的に磁歪特性を得るためには、角度的なずれが０°以上１０°以下となるように磁歪材料を切り出すことが有用であることが分かる。

本発明の磁歪材料は、磁歪量が高く、機械的強度に優れた材料であるため、磁歪式振動発電デバイスや磁歪式センサー、アクチュエーターに適用することができる。

１，３…磁歪式デバイス
２，４…磁歪材料

Claims (5)

1. 下記次式（１）：
   Ｆｅ_{（１００−ｘ−ｙ）}Ｇａ_ｘＥｒ_ｙ・・・（１）
   （式（１）中、ｘおよびｙは、それぞれＧａ含有率（ａｔ％）およびＥｒ含有率（ａｔ％）であり、４つの不等式：ｙ≦−１．５ｘ＋３１．０、ｙ≧１．０、ｙ≦４．０およびｘ≧１７．０を満たす）
   で表されるＦｅＧａＥｒ合金から成る磁歪材料。
2. 前記式（１）において、ｘおよびｙが、１８．０≦ｘ≦１９．０および１．０≦ｙ≦１．５を満たす、請求項１に記載の磁歪材料。
3. 請求項１または２に記載の磁歪材料により形成される、所定の構造を有する磁歪素子。
4. 請求項３に記載の磁歪素子を有する磁歪式デバイス。
5. 磁歪素子としての磁歪材料の磁歪効果による寸法変化を予定している方向に対する、磁歪材料が最大限に歪むことができる方向の角度的なずれが０°〜１０°となるように磁歪素子が配置されている請求項４に記載の磁歪式デバイス。

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