WO2021229982A1 - アクチュエータおよび電力利用装置 - Google Patents

アクチュエータおよび電力利用装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2021229982A1
WO2021229982A1 PCT/JP2021/015364 JP2021015364W WO2021229982A1 WO 2021229982 A1 WO2021229982 A1 WO 2021229982A1 JP 2021015364 W JP2021015364 W JP 2021015364W WO 2021229982 A1 WO2021229982 A1 WO 2021229982A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
magnetostrictive material
conductor
current
spin
magnetic field
Prior art date
Application number
PCT/JP2021/015364
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
崇人 小野
Original Assignee
株式会社Ｕｓリサーチ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社Ｕｓリサーチ filed Critical 株式会社Ｕｓリサーチ
Priority to EP21802186.3A priority Critical patent/EP4152590A4/en
Priority to CN202180034450.0A priority patent/CN115552785A/zh
Publication of WO2021229982A1 publication Critical patent/WO2021229982A1/ja

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N35/00—Magnetostrictive devices
    • H10N35/80—Constructional details
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N35/00—Magnetostrictive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N35/00—Magnetostrictive devices
    • H10N35/101—Magnetostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. generators, sensors
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/46—Filters
    • H03H9/62—Filters comprising resonators of magnetostrictive material

Definitions

  • the present invention relates to an actuator and a power utilization device.
  • the Hall element is made of a magnetostrictive material.
  • the magnetic field generated by the magnetostrictive material is measured by arranging it in the vicinity (see, for example, Non-Patent Document 1).
  • it is necessary to separately incorporate a Hall element which has drawbacks in terms of miniaturization and cost.
  • a Pt thin film is formed on the Y 3 Fe 5 O 12 (YIG) substrate, and when YIG is vibrated, spin waves are generated by spin pumping and flow into the Pt thin film, and due to the reverse spin Hall effect, they are generated.
  • YIG Y 3 Fe 5 O 12
  • YIG cannot be used as a magnetostrictive actuator because its magnetostrictive constant is extremely small, about 2 ppm.
  • Patent Document 1 An actuator using a magnetostrictive material as described in Patent Document 1 needs to generate a large magnetic field using an electromagnet or the like in order to drive the magnetostrictive material, which is difficult to miniaturize and consumes a large amount of power. was there.
  • the present invention has been made by paying attention to such a problem, and an object of the present invention is to provide an actuator and a power utilization device which can be miniaturized and can suppress power consumption.
  • the present inventor considered the relationship between the magnetostrictive material and the spin current, and found that the following two phenomena occur by injecting the spin current into the magnetostrictive material.
  • the first phenomenon is a phenomenon in which the magnetostrictive material changes its magnetostrictive spin polarization due to a spin current, causing strain in the magnetostrictive material.
  • it is a phenomenon that the volume of the magnetostrictive material expands.
  • the present inventor came up with the idea that the magnetostrictive material can be driven by utilizing these two phenomena, and came to the present invention.
  • the actuator according to the present invention is characterized by having a magnetostrictive material and an inflow means provided so that a spin current can flow into the magnetostrictive material.
  • the actuator according to the present invention can generate distortion in the magnetostrictive material or expand the volume of the magnetostrictive material by injecting a spin current into the magnetostrictive material by an inflow means, and can drive the magnetostrictive material.
  • the spin current can be generated only by passing an electric current, for example, by utilizing the spin Hall effect. Therefore, the size can be reduced and the power consumption can be suppressed.
  • the actuator according to the present invention can be miniaturized, it can be used as, for example, a micromirror, an acoustic / ultrasonic element, a small pump, a small motor, a small drive mechanism, or a vibration type sensor.
  • the inflow means applies a current to a conductor provided along the surface of the magnetic strain material and the conductor.
  • the conductor may have a current supply means for flowing, and the conductor may be able to generate a spin current when a current flows.
  • the strain generated in the magnetostrictive material can be controlled by controlling the spin current by the current flowing through the conductor.
  • a magnetic field that is orthogonal or oblique to the direction of the current flowing through the conductor by the current supply means and the direction of the spin current generated in the conductor is generated. It is preferable to have a magnetic field applying means for applying to the magnetostrictive material. In this case, the magnetic field applying means can efficiently flow the spin current generated in the conductor into the magnetostrictive material. Further, the magnetostriction can be generated in the magnetostrictive material by the magnetic field of the magnetic field applying means.
  • the magnetic field applying means may be, for example, a small permanent magnet.
  • the conductor is preferably made of Pt, W, Ta, Bi-Te-based alloy, Bi-Se-based alloy, or Sb-Te-based alloy. Since these have a large spin Hall coefficient, a spin current can be efficiently generated. Further, the driving direction of the magnetostrictive material can be changed by properly using Pt having a positive spin Hall coefficient and W or Ta having a negative spin Hall coefficient. Further, Cu having a spin Hall coefficient close to zero can also be used to prevent the magnetostrictive material from being driven. Further, by combining conductors made of these different materials, for example, a beam-shaped magnetostrictive material can be configured to be capable of bending and / or twisting due to an inflowing spin current. By using a Bi—Te alloy, a Bi—Se alloy, or an Sb—Te alloy as the conductor, the magnetostrictive material can be driven particularly significantly.
  • the electric power utilization device has a magnetostrictive material capable of generating a spin current when deformed, and a power utilization means provided so that the spin current flows in and utilizing a potential difference generated by the inflowing spin current. It is characterized by that.
  • the electric power utilization device can utilize the potential difference generated in the electric power utilization means due to the spin current when the magnetostrictive material is deformed due to strain or volume change and a spin current is generated.
  • the potential difference can be generated by utilizing the current flowing by the spin current by utilizing, for example, the reverse spin Hall effect or the magnetic impedance effect.
  • the power utilization means is, for example, a sensor that detects deformation of the magnetostrictive material from the potential difference, a power generation means that generates power from the potential difference, and the like.
  • the power utilization device creates a potential difference by utilizing the reverse spin Hall effect and the magnetic impedance effect, for example, the power utilization means has the magnetic strain so that the spin current flows and a current flows. It is preferable to have a conductor provided along the surface of the material, and it is preferable that the conductor is configured to utilize the potential difference generated in the conductor.
  • a magnetic field is applied to the magnetostrictive material by applying a magnetic field orthogonal to or diagonally intersecting the direction of the current flowing through the conductor and the direction of the spin current flowing into the conductor. It is preferable to have means. In this case, the spin current can be efficiently flowed into the conductor by the magnetic field of the magnetic field applying means, and a current can flow through the conductor.
  • the conductor is preferably made of Pt, W, Ta, Bi-Te-based alloy, Bi-Se-based alloy, or Sb-Te-based alloy. Since these have a large spin Hall coefficient, a potential difference can be efficiently generated by the inverse spin Hall effect. Further, depending on the displacement direction of the magnetostrictive material, Pt having a positive spin Hall coefficient and W or Ta having a negative spin Hall coefficient can be used properly. Therefore, by combining conductors made of these different materials, it is possible to generate a spin current in response to deformation of the curvature and / or twist of the beam-shaped magnetostrictive material, for example.
  • the actuator according to the present invention has a fixed layer made of a ferromagnetic material and having a fixed magnetization direction, a free layer made of the magnetostrictive material and capable of changing the magnetization direction, and between the fixed layer and the free layer.
  • the inflow means has a voltage applying means provided so as to be able to apply a voltage between the fixed layer and the free layer, and the voltage applying means applies a voltage. By applying the voltage, a current spin-polarized from the fixed layer may be injected into the free layer so that the spin current can flow into the magnetostrictive material.
  • a spin valve structure composed of a fixed layer, a free layer, and a non-magnetic layer can be used to allow a spin current to flow into the magnetostrictive material of the free layer.
  • the spin valve structure for example, the fixed layer, the free layer and the non-magnetic layer integrally form a beam shape, and the spin-polarized current injected into the free layer causes the spin valve structure to be used. It may be provided so that it can be curved and / or twisted.
  • an actuator and a power utilization device that can be miniaturized and can suppress power consumption.
  • a perspective view of the actuator according to the first embodiment of the present invention and (b) a perspective view of the electric power utilization means according to the embodiment of the present invention. It is a perspective view of the structure which the magnetostrictive material forms a double-sided beam structure which shows the actuator of the 1st Embodiment of this invention. It is a perspective view of the structure which the magnetostrictive material forms a cantilever structure which shows the actuator of the 1st Embodiment of this invention. It is (a) perspective view and (b) sectional view of the structure which can generate elastic wave which shows the actuator of 1st Embodiment of this invention.
  • FIG. 1 It is a side view of the structure in which a magnetostrictive material and a conductor are alternately laminated, showing the actuator of the first embodiment of the present invention. It is a perspective view of the structure which can generate and detect the elastic wave which shows the actuator of the 1st Embodiment of this invention, and the electric power utilization means of the embodiment of this invention.
  • the graph showing the relationship between (a) the applied magnetic field (Magnetic field) and the displacement of the magnetostrictive material of the actuator shown in FIG. ) Is a graph showing the relationship with.
  • Example 2 is shown (a) a reference sample without a magnetostrictive material (Sample 1), and (b) an Au layer as a conductor. It is a side view of a sample (Sample 2) having a Galfenol layer as a magnetostrictive material, (c) an Au layer and a Bi 2 Te 3 layer as a conductor, and a sample (Sample 3) having a Galfenol layer as a magnetostrictive material. It is a graph which shows the relationship between the applied magnetic field (Magnetic field) and the displacement of a magnetostrictive material of the actuator using each sample of the double-sided beam structure shown in FIG.
  • Magnetic field Magnetic field
  • the actuator 10 of the first embodiment of the present invention has a magnetostrictive material 11, an inflow means 12, and a magnetic field applying means (not shown).
  • the magnetostrictive material 11 may be, for example, an alloy containing at least one of Fe, Co, and Ni, but a material having a magnetostrictive coefficient of 100 ppm or more is preferable. More specifically, it may be a commercially available magnetostrictive material such as Galfenol (Ga 0.19 Fe 0.81 ) or Terfenol-D (Tb 0.3 Dy 0.7 Fe 2).
  • the magnetostrictive material 11 is preferably formed to have a thin thickness in the direction to be deformed by the generated strain so as to be easily deformed.
  • the inflow means 12 has a conductor 12a provided along the surface of the magnetostrictive material 11 and a current supply means (not shown) for passing a current through the conductor 12a.
  • the conductor 12a may be any material as long as it can generate a spin current when a current flows, but Pt, W, Ta, Bi-Te alloy, Bi-Se alloy, Sb-Te. It is preferably made of a system alloy or the like having a large spin Hall coefficient.
  • the inflow means 12 is provided so that the spin current generated by the conductor 12a can flow into the magnetostrictive material 11 when a current is passed through the conductor 12a by the current supply means.
  • the magnetic field applying means is provided so that a magnetic field can be applied to the magnetostrictive material 11.
  • the magnetic field applying means is provided so as to apply a magnetic field orthogonal to or diagonally intersecting the direction of the current flowing through the conductor 12a by the current supplying means and the direction of the spin current generated in the conductor 12a to the magnetostrictive material 11.
  • the magnetic field applying means may consist of, for example, one or a plurality of small permanent magnets. In a specific example shown in FIG. 1A, the magnetic field applying means can apply a magnetic field orthogonal to the direction of the current flowing through the conductor 12a and the direction of the spin current.
  • the actuator 10 can generate a spin current only by passing a current through the conductor 12a by utilizing the spin Hall effect. Further, the actuator 10 can efficiently flow the spin current generated in the conductor 12a into the magnetostrictive material 11 by the magnetic field applying means. As a result, the actuator 10 can generate strain in the magnetostrictive material 11 or expand the volume of the magnetostrictive material 11 and can drive the magnetostrictive material 11.
  • the actuator 10 can generate magnetostriction in the magnetostrictive material 11 by the magnetic field of the magnetic field applying means. Since the driving direction of the magnetostrictive material 11 due to its magnetostriction and the driving direction of the magnetostrictive material 11 due to the spin current are not orthogonal to each other, the actuator 10 drives the magnetostrictive material 11 more than when only the spin current or only the magnetostriction. Can be made to.
  • the actuator 10 can generate a spin current only by passing a current, it is possible to reduce the size and suppress power consumption. Therefore, the actuator 10 can be used as a sensor such as a micromirror, an acoustic / ultrasonic element, a small pump, a small motor, a small drive mechanism, and a vibration type sensor.
  • a sensor such as a micromirror, an acoustic / ultrasonic element, a small pump, a small motor, a small drive mechanism, and a vibration type sensor.
  • the magnetostrictive material 11 has a double-sided beam structure, and the conductor 12a is provided on the surface of the magnetostrictive material 11 along the length direction of the magnetostrictive material 11. May be good.
  • a current is passed through the conductor 12a by the current supply means, and with respect to the alignment direction (direction in which the spin current flows) between the conductor 12a and the magnetostrictive material 11 and the length direction of the conductor 12a by the magnetic field application means. And apply a vertical magnetic field.
  • the magnetostrictive material 11 can be driven in the direction perpendicular to the length direction of the beam.
  • the driving direction of the magnetostrictive material 11 can be reversed.
  • the actuator 10 is provided so that the magnetostrictive material 11 forms a cantilever structure and the conductor 12a reciprocates on the surface of the magnetostrictive material 11 along the length direction of the magnetostrictive material 11. It may have been.
  • a current is passed through the conductor 12a by the current supply means, and with respect to the alignment direction (direction in which the spin current flows) between the conductor 12a and the magnetostrictive material 11 and the length direction of the conductor 12a by the magnetic field application means. And apply a vertical magnetic field.
  • the magnetostrictive material 11 is curved or twisted according to the flow of the spin current injected into the magnetostrictive material 11 on the outward path of the conductor 12a and the flow of the spin current injected into the magnetostrictive material 11 on the return path. be able to.
  • the conductor 12a on the outward path has a positive spin Hall coefficient (Pt, etc.), and the conductor 12a on the return path.
  • the spin Hall coefficient is positive
  • the beam can be twisted counterclockwise when viewed from the tip side of the beam.
  • the conductor 12a on the outward path has a negative spin Hall coefficient (W, Ta, etc.) and the conductor 12a on the return path also has a negative spin Hall coefficient
  • W, Ta, etc. negative spin Hall coefficient
  • the conductor 12a on the return path also has a negative spin Hall coefficient
  • the beam can be curved downward. Further, if the conductor 12a on the outward path has a negative spin Hall coefficient and the conductor 12a on the return path has a positive spin Hall coefficient, the beam can be curved upward.
  • the magnetostrictive material 11 may be made of a thin film, and a plurality of conductors 12a may be provided on the surface of the magnetostrictive material 11 in parallel with each other at predetermined intervals.
  • a current is passed through each conductor 12a by the current supply means, and the alignment direction (direction in which the spin current flows) between the conductor 12a and the magnetostrictive material 11 and the length direction of each conductor 12a are determined by the magnetic field application means. A magnetic field in the direction perpendicular to the object is applied.
  • the magnetostrictive material 11 can be expanded in the thickness direction at the position of each conductor 12a to generate an elastic wave having the same wavelength as the distance between the conductors 12a. Further, the elastic wave can be propagated in the magnetostrictive material 11 along the arrangement direction of the conductors 12a. Further, the Young's modulus of the magnetostrictive material 11 can be changed by changing the applied magnetic field, and the frequency of the elastic wave can be changed.
  • the actuator 10 may be configured by alternately laminating a magnetostrictive material 11 made of a thin film and a conductor 12a. In this case, since the strain of each magnetostrictive material 11 is superimposed in the same direction, the driving ability can be increased.
  • the power utilization device 20 includes a magnetostrictive material 21, a power utilization means 22, and a magnetic field application means (not shown).
  • the magnetostrictive material 21 is made of a material capable of generating a spin current while changing its response to a magnetic field when deformed.
  • the magnetostrictive material 21 can be the same as the magnetostrictive material 11 of the actuator 10 shown in FIG. 1 (a), and may be an alloy containing at least one of Fe, Co, and Ni, for example. , The one having a magnetostrictive coefficient of 100 ppm or more is preferable.
  • the magnetostrictive material 21 is preferably formed to have a thin thickness in the deforming direction so as to be easily deformed.
  • the electric power utilization means 22 has a conductor 22a provided along the surface of the magnetostrictive material 21.
  • the conductor 22a is provided so that a spin current generated by the magnetostrictive material 21 flows in and a current flows by spin pumping.
  • the conductor 22a the same conductor 12a as that of the actuator 10 shown in FIG. 1A can be used.
  • Pt, W, Ta, Bi-Te alloy, Bi-Se alloy, Sb-Te can be used. It may be made of a system alloy or the like having a large spin Hall coefficient.
  • the magnetic field applying means is provided so that a magnetic field can be applied to the magnetostrictive material 21.
  • the magnetic field applying means is provided so as to apply a magnetic field orthogonal to or oblique to the direction of the current flowing through the conductor 22a and the direction of the spin current flowing into the conductor 22a to the magnetostrictive material 21.
  • the magnetic field applying means can apply a magnetic field orthogonal to the direction of the current flowing through the conductor 22a and the direction of the spin current.
  • the power utilization means 22 is configured to utilize the potential difference generated in the conductor 22a.
  • the power utilization means 22 may include, for example, a sensor that detects deformation of the magnetostrictive material 21 from the potential difference generated in the conductor 22a, or a power generation means that generates power from the potential difference generated in the conductor 22a.
  • the power utilization device 20 causes the spin current to flow into the conductor 22a by the magnetic field of the magnetic field applying means, and the conductor has a reverse spin hole effect. A current can be passed through 22a. As a result, a potential difference is generated in the conductor 22a, and the potential difference can be utilized by the power utilization means 22.
  • the magnetostrictive material 21 and the conductor 22a are configured in the same manner as the magnetostrictive material 11 and the conductor 12a shown in FIG. 2, so that the magnetostrictive material 21 having a double-sided beam structure is formed in the length direction thereof.
  • a potential difference can be generated in the conductor 22a.
  • the conductor responds to the deformation and twisting of the cantilever-shaped magnetostrictive material 21.
  • a potential difference can be generated in 22a.
  • the magnetostrictive material 21 may be made of a thin film, and a plurality of conductors 22a may be provided on the surface of the magnetostrictive material 21 in parallel with each other at predetermined intervals.
  • the elastic wave generated by the actuator 10 and propagating in the magnetostrictive material 21 can be detected by utilizing the reverse spin Hall effect. It can also be used as an elastic wave filter capable of detecting a signal having a predetermined frequency. Further, by changing the applied magnetic field, the Young's modulus of the magnetostrictive material 11 can be changed to change the detectable frequency, so that the filter can be a variable filter.
  • the magnetostrictive material 11 has a film of Terfenol-D (Tb 0.36 Dy 0.64 Fe 1.9 ), which is a magnetostrictive material having a magnetostrictive coefficient of 1250 ppm, formed on a silicon substrate, and the thickness of the magnetostrictive material is 200 nm. ..
  • the conductor 12a was a Pt thin film having a thickness of 100 nm.
  • the current flowing through the conductor 12a was an alternating current of 50 mA and 10 kHz.
  • the displacement of the magnetostrictive material 11 was measured by changing the magnitude of the applied magnetic field (Magnetic field) from 0 mT to 900 mT in increments of 100 mT.
  • the measurement results are shown in FIG. 7 (a).
  • the magnetic field of the NeFeB magnet is about 500 mT
  • the magnetic field of the MRI is about 1000 mT.
  • a magnetic field parallel to the length direction of the cantilever is applied to the cantilever whose surface layer is made of the super-magnetostrictive material Terfenol-D (Tb 0.36 Dy 0.64 Fe 1.9), assuming only deformation due to magnetostriction.
  • the relationship between the applied magnetic field and the magnetostriction coefficient was measured.
  • the cantilever had three types of lengths of 700 ⁇ m, 1000 ⁇ m, and 1100 ⁇ m, and the average value thereof was also calculated. The measurement result is shown in FIG. 7 (b).
  • the displacement due to magnetostriction becomes large by applying a magnetic field parallel to the length direction of the cantilever (the length direction of the magnetostrictive material 11). It was confirmed that a magnetostrictive coefficient of about 1250 ppm could be obtained. It was also confirmed that the curve up to the maximum magnetostrictive coefficient formed an upwardly convex shape.
  • the actuator 10 applies a magnetic field perpendicular to the length direction of the magnetostrictive material 11 (the length direction of the conductor 12a), the actuator 10 applies a magnetic field. It was confirmed that the magnetostrictive material 11 was largely displaced.
  • a Cr layer having a thickness of 20 nm and an Au layer having a thickness of 20 nm are formed on a Si substrate (thickness 250 ⁇ m) for reference without a magnetostrictive material 11.
  • a Galfenol (Ga 0.2 Fe 0.8 ) layer of a 100 nm-thick supermagnetostrictive material 11 was further formed on the Au layer (Sample 2). As shown in FIG.
  • each sample is in the shape of a strip, and the size thereof is 7 mm in length and 1 mm in width.
  • a current was passed through the conductor 12a, and a magnetic field in a direction perpendicular to the alignment direction of the conductor 12a and the magnetostrictive material 11 of the double-sided beam structure and the length direction of the conductor 12a was applied. Further, an alternating current was applied to the conductor 12a by applying a voltage of 1.5 V and 1.5 kHz. The magnitude of the applied magnetic field (Magnetic field) was changed from 0T to 1T, and the displacement (strain) of the magnetostrictive material 11 was measured. The measurement results are shown in FIG.
  • Bi 2 Te 3 is a topological insulator in which a spin current flows on the surface, and the same effect can be expected with other topological insulators such as Sb—Te alloys.
  • the diaphragm 30 shown in FIG. 10 As the power utilization device 20, the potential difference generated in the conductor 22a when the magnetostrictive material 21 was vibrated was measured.
  • the diaphragm 30 has a BOX layer (thickness 1 ⁇ m) made of SiO 2 between the handle layer (thickness 300 ⁇ m) 31 made of SiO 2 and the device layer (thickness 8 ⁇ m) 32 made of Si. ) 33, using an SOI (Silicon on Insulator) wafer, manufactured as follows.
  • a surface layer (thickness 150 nm) composed of 21 was formed by electrolytic plating.
  • a diaphragm 30 composed of the device layer 32, the seed layer 34, and the magnetostrictive material 21 whose both ends are supported by the handle layer 31 and the BOX layer 33 is manufactured. bottom.
  • the Pt of the seed layer 34 corresponds to the conductor 22a.
  • the diaphragm 30 is installed in the PZT actuator 35 with a magnetic field orthogonal to the length direction and the thickness direction of the diaphragm 30 applied to the magnetostrictive material 21, and the PZT actuator 35 is used.
  • the magnitude of the applied magnetic field was 500 mT, and the drive voltage of the PZT actuator 35 was 10 V.
  • the PZT actuator 35 By vibrating the PZT actuator 35, the spin current generated from the magnetostrictive material 21 of the resonating diaphragm 30 flows into the Pt of the conductor 22a by spin pumping, and a potential difference is generated at both ends of the conductor 22a due to the reverse spin Hall effect. Therefore, the potential difference (voltage) was measured by the lock-in amplifier 36. The measured potential difference is the AC voltage.
  • the vibration frequency of the PZT actuator 35 is changed from 1 kHz to 20 kHz
  • the relationship between the frequency and the measured amplitude of the AC voltage is obtained and shown in FIG. 12 (a).
  • the diaphragm 30 strongly resonates at 6.775 kHz and 7.925 kHz, and it is confirmed that a potential difference corresponding to the vibration of the diaphragm 30 is generated.
  • the actuator 40 of the second embodiment of the present invention has a spin valve structure, and has a fixed layer 41, a free layer 42, a non-magnetic layer 43, and an inflow means.
  • the description of the effect overlapping with the actuator 10 of the first embodiment of the present invention will be omitted.
  • the fixed layer 41 is made of a ferromagnet, and the magnetization direction is fixed in the in-plane direction.
  • the fixed layer 41 is made of, for example, Co, SmCo, Ni, or the like.
  • the free layer 42 is made of a magnetostrictive material, and is configured so that the magnetization direction is in-plane and can be changed between the same direction as the magnetization direction of the fixed layer 41 and the opposite direction.
  • the non-magnetic layer 43 is arranged between the fixed layer 41 and the free layer 42.
  • the non-magnetic layer 43 is thin and is made of a non-magnetic metal such as Cu or an insulator such as Al 2 O 3.
  • the inflow means has a voltage applying means 44 provided so that a voltage can be applied between the fixed layer 41 and the free layer 42.
  • the inflow means is configured so that a spin current can flow into the magnetostrictive material by injecting a spin-polarized current from the fixed layer 41 into the free layer 42 by applying a voltage by the voltage applying means 44.
  • the actuator 40 has a spin valve structure, and a spin current can flow into the magnetostrictive material of the free layer 42 by applying a voltage between the fixed layer 41 and the free layer 42 by the voltage applying means 44.
  • a spin current can flow into the magnetostrictive material of the free layer 42 by applying a voltage between the fixed layer 41 and the free layer 42 by the voltage applying means 44.
  • the magnetostrictive material can be distorted, the volume of the magnetostrictive material can be expanded, and the magnetostrictive material can be driven.
  • the fixed layer 41, the free layer 42, and the non-magnetic layer 43 may be integrally formed in a beam shape.
  • a voltage with the voltage applying means 44 a spin-polarized current can be injected into the free layer 42.
  • the magnetostrictive material is deformed, and the beam can be curved or twisted.

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

【課題】小型化を図ることができ、消費電力を抑制することができるアクチュエータおよび電力利用装置を提供する。 【解決手段】流入手段１２が、磁歪材料１１にスピン流を流入可能に設けられている。流入手段１２は、磁歪材料１１の表面に沿って設けられた、電流が流れるとスピン流を発生可能な導電体１２ａと、導電体１２ａに電流を流す電流供給手段とを有している。磁場印加手段が、電流供給手段により導電体１２ａに流す電流の方向と、導電体１２ａに発生するスピン流の流れる方向とに対して直交または斜交する磁場を、磁歪材料１１に印加するよう設けられている。

Description

アクチュエータおよび電力利用装置
　本発明は、アクチュエータおよび電力利用装置に関する。
　従来、小型のアクチュエータとして、圧電材料を用いたものが広く用いられているが、圧電材料の最大ひずみは小さいため、より大きい歪を発生可能な磁歪材料を利用したアクチュエータの開発が進められている（例えば、特許文献１参照）。
　なお、磁歪アクチュエータの歪を測定する方法として、磁歪材料がひずんだときに発生する磁場の変化を、ホール素子などの磁気センサを利用して測定する方法があり、例えば、ホール素子を磁歪材料の近傍に配置して、磁歪材料が発生する磁場を測定している（例えば、非特許文献１参照）。しかし、この方法では、ホール素子を別途、組み込む必要があり、小型化やコストの点で難点がある。
　また、Y3Fe5O12（YIG）基板上にPt薄膜を形成して成り、YIGを振動させたとき、スピンポンピングによりスピン波が発生してPt薄膜に流入し、逆スピンホール効果により、スピン波を電圧に変換するものがある（例えば、非特許文献２参照）。しかし、YIGは磁歪定数が 2ppm程度と極めて小さいため、磁歪アクチュエータとしては利用することができない。
特開２００４－３３５５０２号公報
Zhen-Yuan Jia, Hui-Fang Liu, Fu-Ji Wang, Wei Liu, Chun-Ya Ge, "A novel magnetostrictive static force sensor based on the giant magnetostrictive material", Measurement, 2011, 44, 1, p.88-95 K. Uchida, H. Adachi, T. An, H. Nakayama, M. Toda, B. Hillebrands, S. Maekawa, and E. Saitoh, "Acoustic spin pumping: Direct generation of spin currents from sound waves in Pt/Y3Fe5O12 hybrid structures", Journal of Applied Physics, 2012, 111, 053909
　特許文献１に記載のような磁歪材料を用いたアクチュエータは、磁歪材料を駆動するために、電磁石などを用いて大きな磁場を発生する必要があり、小型化が困難で、消費電力も大きいという課題があった。
　本発明は、このような課題に着目してなされたもので、小型化を図ることができ、消費電力を抑制することができるアクチュエータおよび電力利用装置を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明者は、磁歪材料とスピン流との関係について考察し、磁歪材料にスピン流を注入することにより、次の２つの現象が生じることを見出した。１つ目の現象は、スピン流により磁歪材料の磁気スピン分極が変化し、磁歪材料に歪が発生する現象であり、２つ目の現象は、スピン流により磁歪材料の磁気スピンの揺らぎが変化し、磁歪材料の体積が膨張する現象である。本発明者は、この２つの現象を利用することにより磁歪材料を駆動可能であることに想到し、本発明に至った。
　すなわち、本発明に係るアクチュエータは、磁歪材料と、前記磁歪材料にスピン流を流入可能に設けられた流入手段とを、有することを特徴とする。
　本発明に係るアクチュエータは、流入手段により磁歪材料にスピン流を流入させることにより、磁歪材料に歪を発生させたり、磁歪材料の体積を膨張させたりすることができ、磁歪材料を駆動することができる。スピン流は、例えば、スピンホール効果を利用して、電流を流すだけで発生させることができる。このため、小型化を図ることができ、消費電力を抑制することができる。
　本発明に係るアクチュエータは、小型化を図ることができるため、例えば、マイクロミラーや音響・超音波素子、小型ポンプ、小型モータ、小型の駆動機構、振動型のセンサとして利用することができる。
　本発明に係るアクチュエータは、スピンホール効果を利用してスピン流を発生させるために、例えば、前記流入手段は、前記磁歪材料の表面に沿って設けられた導電体と、前記導電体に電流を流す電流供給手段とを有し、前記導電体は電流が流れるとスピン流を発生可能であってもよい。この場合、導電体を流れる電流によりスピン流を制御することにより、磁歪材料に発生する歪を制御することができる。
　また、この導電体を有する場合、前記電流供給手段により前記導電体に流す前記電流の方向と、前記導電体に発生する前記スピン流の流れる方向とに対して直交または斜交する磁場を、前記磁歪材料に印加する磁場印加手段を有することが好ましい。この場合、磁場印加手段により、導電体に発生するスピン流を磁歪材料に効率的に流入させることができる。また、磁場印加手段の磁場により磁歪材料に磁歪を発生させることができる。磁場印加手段は、例えば、小型の永久磁石であってもよい。
　また、前記導電体は、Ｐｔ、Ｗ、Ｔａ、Ｂｉ－Ｔｅ系合金、Ｂｉ－Ｓｅ系合金、または、Ｓｂ－Ｔｅ系合金から成ることが好ましい。これらはスピンホール係数が大きいため、効率よくスピン流を発生させることができる。また、スピンホール係数が正のＰｔと、スピンホール係数が負のＷやＴａとを使い分けることにより、磁歪材料の駆動方向を変えることができる。また、スピンホール係数がゼロに近いＣｕも利用して、磁歪材料を駆動させないようにすることもできる。また、これら異なる材料から成る導電体を組み合わせることにより、例えば、梁状の磁歪材料に対し、流入するスピン流により、湾曲および／または捻れの変形が可能に構成することもできる。導電体として、Ｂｉ－Ｔｅ系合金、Ｂｉ－Ｓｅ系合金、または、Ｓｂ－Ｔｅ系合金を使用することにより、磁歪材料を特に大きく駆動させることができる。
　本発明に係る電力利用装置は、変形したときスピン流を発生可能な磁歪材料と、前記スピン流が流入するよう設けられ、流入する前記スピン流により生じる電位差を利用する電力利用手段とを、有することを特徴とする。
　本発明に係る電力利用装置は、歪や体積変化により磁歪材料が変形してスピン流が発生したとき、そのスピン流により電力利用手段に生じる電位差を利用することができる。電位差は、例えば、逆スピンホール効果や磁気インピーダンス効果を利用して、スピン流により流れる電流を利用して発生させることができる。本発明に係る電力利用装置で、前記電力利用手段は、例えば、前記電位差から前記磁歪材料の変形を検出するセンサや、前記電位差から発電を行う発電手段などである。
　本発明に係る電力利用装置は、逆スピンホール効果や磁気インピーダンス効果を利用して電位差を生じさせるために、例えば、前記電力利用手段は、前記スピン流が流入して電流が流れるよう、前記磁歪材料の表面に沿って設けられた導電体を有することが好ましく、その導電体に発生する電位差を利用するよう構成されていることが好ましい。
　この導電体を有する場合、前記導電体に流れる前記電流の方向と、前記導電体に流入する前記スピン流の流れる方向とに対して直交または斜交する磁場を、前記磁歪材料に印加する磁場印加手段を有することが好ましい。この場合、磁場印加手段の磁場によりスピン流を効率的に導電体に流入させて、導電体に電流を流すことができる。
　また、前記導電体は、Ｐｔ、Ｗ、Ｔａ、Ｂｉ－Ｔｅ系合金、Ｂｉ－Ｓｅ系合金、または、Ｓｂ－Ｔｅ系合金から成ることが好ましい。これらはスピンホール係数が大きいため、逆スピンホール効果により効率よく電位差を発生させることができる。また、磁歪材料の変位方向に応じて、スピンホール係数が正のＰｔと、スピンホール係数が負のＷやＴａとを使い分けることができる。このため、これら異なる材料から成る導電体を組み合わせることにより、例えば、梁状の磁歪材料の湾曲および／または捻れの変形に応じて、スピン流を発生させるよう構成することができる。
　本発明に係るアクチュエータは、強磁性体から成り、磁化方向が固定されている固定層と、前記磁歪材料から成り、磁化方向が変化可能な自由層と、前記固定層と前記自由層との間に配置された非磁性層とを有し、前記流入手段は、前記固定層と前記自由層との間に電圧を印加可能に設けられた電圧印加手段を有し、前記電圧印加手段で電圧を印加することにより、前記固定層からスピン偏極した電流を前記自由層に注入して、前記磁歪材料に前記スピン流を流入可能に構成されていてもよい。この場合、固定層と自由層と非磁性層とから成るスピンバルブ構造を利用して、自由層の磁歪材料にスピン流を流入させることができる。
　また、このスピンバルブ構造を利用する場合、例えば、前記固定層、前記自由層および前記非磁性層は一体的に梁状を成し、前記自由層に注入される前記スピン偏極した電流により、湾曲および／または捻れの変形が可能に設けられていてもよい。
　本発明によれば、小型化を図ることができ、消費電力を抑制することができるアクチュエータおよび電力利用装置を提供することができる。
（ａ）本発明の第１の実施の形態のアクチュエータの斜視図、（ｂ）本発明の実施の形態の電力利用手段の斜視図である。 本発明の第１の実施の形態のアクチュエータを示す、磁歪材料が両持ち梁構造を成す構成の斜視図である。 本発明の第１の実施の形態のアクチュエータを示す、磁歪材料が片持ち梁構造を成す構成の斜視図である。 本発明の第１の実施の形態のアクチュエータを示す、弾性波を発生可能な構成の（ａ）斜視図、（ｂ）断面図である。 本発明の第１の実施の形態のアクチュエータを示す、磁歪材料と導電体とを交互に積層した構成の側面図である。 本発明の第１の実施の形態のアクチュエータおよび本発明の実施の形態の電力利用手段を示す、弾性波を発生可能かつ検出可能な構成の斜視図である。 図２に示すアクチュエータの、（ａ）印加磁場（Magnetic field）と磁歪材料の変位との関係を示すグラフ、（ｂ）比較例の、磁歪のみによる印加磁場（Magnetic field）と磁歪係数（Magnetostriction coefficient）との関係を示すグラフである。 図２に示すアクチュエータの、磁歪材料の変位を測定する実験で用いた両持ち梁構造を示す（ａ）磁歪材料を有さない参照用試料（Sample 1）、（ｂ）導電体としてＡｕ層、磁歪材料としてGalfenol層を有する試料（Sample 2）、（ｃ）導電体としてＡｕ層およびBi2Te3層、磁歪材料としてGalfenol層を有する試料（Sample 3）の側面図である。 図８に示す両持ち梁構造の各試料を用いたアクチュエータの、印加磁場（Magnetic field）と磁歪材料の変位との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態の電力利用手段の、磁歪材料を振動させたときに導電体に発生する電位差を測定する実験で用いたダイヤフラム構造を示す側面図である。 図１０に示すダイヤフラム構造を用いた、磁歪材料を振動させたときに導電体に発生する電位差を測定する実験装置を示す側面図である。 図１１に示す実験装置で得られた、（ａ）ＰＺＴの振動周波数と導電体の両端に発生する交流電圧の振幅との関係を示すグラフ、（ｂ）ダイヤフラムの共振周波数での、印加磁場と導電体の両端に発生する交流電圧の振幅との関係を示すグラフである。 本発明の第２の実施の形態のアクチュエータを示す側面図である。 本発明の第２の実施の形態のアクチュエータを示す、固定層、自由層および非磁性層が片持ち梁構造を成す構成の斜視図である。
　以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
　図１乃至図１２は、本発明の第１の実施の形態のアクチュエータおよび電力利用装置を示している。
　図1（ａ）に示すように、本発明の第１の実施の形態のアクチュエータ１０は、磁歪材料１１と流入手段１２と磁場印加手段（図示せず）とを有している。
　磁歪材料１１は、例えば、Fe、Co、およびNiのうち少なくとも１つ以上を含む合金であってもよいが、磁歪係数が１００ｐｐｍ以上のものが好ましい。より具体的には、市販のGalfenol（Ga0.19Fe0.81）やTerfenol-D（Tb0.3Dy0.7Fe2）等の超磁歪材料であってもよい。磁歪材料１１は、変形しやすいよう、発生する歪により変形させたい方向の厚みを、薄く形成していることが好ましい。
　流入手段１２は、磁歪材料１１の表面に沿って設けられた導電体１２ａと、導電体１２ａに電流を流す電流供給手段（図示せず）とを有している。導電体１２ａは、電流が流れるとスピン流を発生可能なものであれば、いかなるものであってもよいが、Ｐｔ、Ｗ、Ｔａ、Ｂｉ－Ｔｅ系合金、Ｂｉ－Ｓｅ系合金、Ｓｂ－Ｔｅ系合金など、スピンホール係数が大きいものから成ることが好ましい。流入手段１２は、電流供給手段で導電体１２ａに電流を流したときに、導電体１２ａで発生するスピン流を、磁歪材料１１に流入可能に設けられている。
　磁場印加手段は、磁歪材料１１に磁場を印加可能に設けられている。磁場印加手段は、電流供給手段により導電体１２ａに流す電流の方向と、導電体１２ａに発生するスピン流の流れる方向とに対して直交または斜交する磁場を、磁歪材料１１に印加するよう設けられている。磁場印加手段は、例えば、１個または複数個の小型の永久磁石から成っていてもよい。図１（ａ）に示す具体的な一例では、磁場印加手段は、導電体１２ａに流す電流の方向と、スピン流の流れる方向とに対して直交する磁場を印加可能になっている。
　次に、作用について説明する。
　アクチュエータ１０は、スピンホール効果を利用して、導電体１２ａに電流を流すだけでスピン流を発生させることができる。また、アクチュエータ１０は、磁場印加手段により、導電体１２ａに発生したスピン流を磁歪材料１１に効率的に流入させることができる。これにより、アクチュエータ１０は、磁歪材料１１に歪を発生させたり、磁歪材料１１の体積を膨張させたりすることができ、磁歪材料１１を駆動することができる。
　また、アクチュエータ１０は、磁場印加手段の磁場により磁歪材料１１に磁歪を発生させることができる。アクチュエータ１０は、その磁歪による磁歪材料１１の駆動方向と、スピン流による磁歪材料１１の駆動方向とが直交しないため、スピン流のみのときや、磁歪のみのときよりも磁歪材料１１をより大きく駆動させることができる。
　また、アクチュエータ１０は、電流を流すだけでスピン流を発生させることができるため、小型化を図ることができ、消費電力を抑制することができる。このため、アクチュエータ１０は、例えば、マイクロミラーや音響・超音波素子、小型ポンプ、小型モータ、小型の駆動機構、振動型センサなどのセンサとして利用することができる。
　図２に示すように、アクチュエータ１０は、例えば、磁歪材料１１が両持ち梁構造を成し、導電体１２ａが磁歪材料１１の表面に、磁歪材料１１の長さ方向に沿って設けられていてもよい。このとき、電流供給手段により導電体１２ａに電流を流し、磁場印加手段により、導電体１２ａと磁歪材料１１との並び方向（スピン流の流れる方向）と、導電体１２ａの長さ方向とに対して垂直方向の磁場を印加する。これにより、梁の長さ方向に対して垂直方向に、磁歪材料１１を駆動することができる。導電体１２ａに流す電流の向きや磁場の向きを逆にすることにより、磁歪材料１１の駆動方向を逆にすることができる。
　また、図３に示すように、アクチュエータ１０は、磁歪材料１１が片持ち梁構造を成し、導電体１２ａが磁歪材料１１の表面に、磁歪材料１１の長さ方向に沿って往復するよう設けられていてもよい。このとき、電流供給手段により導電体１２ａに電流を流し、磁場印加手段により、導電体１２ａと磁歪材料１１との並び方向（スピン流の流れる方向）と、導電体１２ａの長さ方向とに対して垂直方向の磁場を印加する。これにより、導電体１２ａの往路で磁歪材料１１に注入されるスピン流の流れと、復路で磁歪材料１１に注入されるスピン流の流れに応じて、磁歪材料１１を湾曲させたり捻れさせたりすることができる。
　具体的には、導電体１２ａに流れる電流の向きや磁場の向きが図３に示す方向の場合、往路の導電体１２ａをスピンホール係数が正のもの（Ｐｔなど）とし、復路の導電体１２ａもスピンホール係数が正のものとすると、梁の先端側から見たときに、梁を左回りに捻れさせることができる。また、往路の導電体１２ａをスピンホール係数が負のもの（ＷやＴａなど）とし、復路の導電体１２ａもスピンホール係数が負のものとすると、梁の先端側から見たときに、梁を右回りに捻れさせることができる。また、往路の導電体１２ａをスピンホール係数が正のものとし、復路の導電体１２ａをスピンホール係数が負のものとすると、梁を下向きに湾曲させることができる。また、往路の導電体１２ａをスピンホール係数が負のものとし、復路の導電体１２ａをスピンホール係数が正のものとすると、梁を上向きに湾曲させることができる。
　また、図４に示すように、アクチュエータ１０は、磁歪材料１１が薄膜から成り、複数の導電体１２ａが磁歪材料１１の表面に、所定の間隔で互いに平行に設けられていてもよい。このとき、電流供給手段により各導電体１２ａに電流を流し、磁場印加手段により、導電体１２ａと磁歪材料１１との並び方向（スピン流の流れる方向）と、各導電体１２ａの長さ方向とに対して垂直方向の磁場を印加する。これにより、各導電体１２ａの位置で、磁歪材料１１を厚み方向に膨張させて、各導電体１２ａの間隔と同じ波長を有する弾性波を発生させることができる。また、その弾性波を、磁歪材料１１内で、導電体１２ａの並び方向に沿って伝搬させることができる。また、印加する磁場を変えることにより磁歪材料１１のヤング率を変化させることができ、弾性波の周波数を変えることができる。
　また、図５に示すように、アクチュエータ１０は、薄膜から成る磁歪材料１１と、導電体１２ａとを交互に積層して構成されていてもよい。この場合、各磁歪材料１１の歪が同じ方向に重畳されるため、駆動能力を大きくすることができる。
　図1（ｂ）に示すように、電力利用装置２０は、磁歪材料２１と電力利用手段２２と磁場印加手段（図示せず）とを有している。
　磁歪材料２１は、変形したとき磁場に対する応答が変化すると共に、スピン流を発生可能なものから成っている。磁歪材料２１は、図１（ａ）に示すアクチュエータ１０の磁歪材料１１と同じものを使用可能であり、例えば、Fe、Co、およびNiのうち少なくとも１つ以上を含む合金であってもよいが、磁歪係数が１００ｐｐｍ以上のものが好ましい。より具体的には、市販のGalfenol（Ga0.19Fe0.81）やTerfenol-D（Tb0.3Dy0.7Fe2）等の超磁歪材料であってもよい。磁歪材料２１は、変形しやすいよう、変形する方向の厚みを薄く形成していることが好ましい。
　電力利用手段２２は、磁歪材料２１の表面に沿って設けられた導電体２２ａを有している。導電体２２ａは、スピンポンピングにより、磁歪材料２１で発生したスピン流が流入して電流が流れるよう設けられている。導電体２２ａは、図１（ａ）に示すアクチュエータ１０の導電体１２ａと同じものを使用可能であり、例えば、Ｐｔ、Ｗ、Ｔａ、Ｂｉ－Ｔｅ系合金、Ｂｉ－Ｓｅ系合金、Ｓｂ－Ｔｅ系合金など、スピンホール係数が大きいものから成っていてもよい。
　磁場印加手段は、磁歪材料２１に磁場を印加可能に設けられている。磁場印加手段は、導電体２２ａに流れる電流の方向と、導電体２２ａに流入するスピン流の流れる方向とに対して直交または斜交する磁場を、磁歪材料２１に印加するよう設けられている。図１（ｂ）に示す具体的な一例では、磁場印加手段は、導電体２２ａに流れる電流の方向と、スピン流の流れる方向とに対して直交する磁場を印加可能になっている。
　電力利用手段２２は、導電体２２ａに発生する電位差を利用するよう構成されている。電力利用手段２２は、例えば、導電体２２ａに発生する電位差から磁歪材料２１の変形を検出するセンサや、導電体２２ａに発生する電位差から発電を行う発電手段から成っていてもよい。
　次に、作用について説明する。
　電力利用装置２０は、歪や体積変化により磁歪材料２１が変形してスピン流が発生したとき、磁場印加手段の磁場によりそのスピン流を導電体２２ａに流入させて、逆スピンホール効果で導電体２２ａに電流を流すことができる。これにより、導電体２２ａに電位差が発生するため、電力利用手段２２によりその電位差を利用することができる。
　電力利用装置２０は、例えば、磁歪材料２１および導電体２２ａを、図２に示す磁歪材料１１および導電体１２ａと同様に構成することにより、両持ち梁構造の磁歪材料２１が、その長さ方向に対して垂直方向に変形したとき、導電体２２ａに電位差を発生させることができる。また、磁歪材料２１および導電体２２ａを、図３に示す磁歪材料１１および導電体１２ａと同様に構成することにより、片持ち梁状の磁歪材料２１の湾曲や捻れの変形に応じて、導電体２２ａに電位差を発生させることができる。
　また、図６に示すように、電力利用装置２０は、磁歪材料２１が薄膜から成り、複数の導電体２２ａが磁歪材料２１の表面に、所定の間隔で互いに平行に設けられていてもよい。このとき、図４に示すアクチュエータ１０と組み合わせることにより、アクチュエータ１０で発生し、磁歪材料２１内を伝搬してきた弾性波を、逆スピンホール効果を利用して検出することができる。また、所定の周波数の信号を検出可能な弾性波フィルタとして使用することもできる。また、印加する磁場を変えることにより磁歪材料１１のヤング率を変化させて、検出可能な周波数を変えることができるため、可変フィルタとすることができる。
　図１（ａ）に示すアクチュエータ１０を用い、導電体１２ａに電流を流し、導電体１２ａと両持ち梁構造の磁歪材料１１との並び方向と、導電体１２ａの長さ方向とに対して垂直方向の磁場を印加したときの、磁歪材料１１の変位を測定した。磁歪材料１１は、シリコン基板上に、1250 ppmの磁歪係数を有する超磁歪材料のTerfenol-D（Tb0.36Dy0.64Fe1.9）の膜を形成したものとし、超磁歪材料の厚さを２００ｎｍとした。導電体１２ａは、厚さが100 nmのPt薄膜とした。導電体１２ａに流す電流は、５０ｍＡ、１０ｋＨｚの交流電流とした。測定では、印加磁場（Magnetic field）の大きさを０ｍＴ～９００ｍＴまで１００ｍＴずつ変えて、磁歪材料１１の変位を測定した。測定結果を、図７（ａ）に示す。なお、参考として、ＮｅＦｅＢ磁石の磁場が５００ｍＴ程度、ＭＲＩの磁場が１０００ｍＴ程度である。
　比較のため、磁歪による変形のみの場合として、表層が超磁歪材料のTerfenol-D（Tb0.36Dy0.64Fe1.9）から成るカンチレバーに対し、カンチレバーの長さ方向に対して平行な磁場を印加して、印加磁場（Magnetic field）と磁歪係数（Magnetostriction coefficient）との関係を測定した。カンチレバーは、長さが７００μｍ、１０００μｍ、および１１００μｍの３種類とし、それらの平均値も求めた。その測定結果を、図７（ｂ）に示す。
　図７（ｂ）に示すように、磁歪による変形のみの場合、カンチレバーの長さ方向（磁歪材料１１の長さ方向）に対して平行に磁場を印加することにより、磁歪による変位が大きくなり、１２５０ｐｐｍ程度の磁歪係数が得られることが確認された。また、最大の磁歪係数に達するまでの曲線が、上に凸の形状を成していることも確認された。これに対し、図７（ａ）に示すように、アクチュエータ１０では、磁歪材料１１の長さ方向（導電体１２ａの長さ方向）に対して垂直に磁場を印加しているにもかかわらず、磁歪材料１１が大きく変位していることが確認された。また、最大変位に達するまでの曲線が、ほぼ直線状であることも確認された。図７（ａ）と（ｂ）とを比較すると、磁場の印加方向が異なることや、曲線形状が異なることから、図７（ａ）に示すスピン流による変位は、磁歪によるものとは異なる。なお、図７（ａ）に示す磁歪材料１１の最大歪は、１４００ｐｐｍであり、純粋な磁場印加による磁歪よりも大きな値を示している。
　図１（ａ）に示すアクチュエータ１０を用い、導電体１２ａの材料を変えて、磁歪材料１１の変位を測定した。図８（ａ）に示すように、Ｓｉ基板（厚さ２５０μｍ）の上に、厚さ２０ｎｍのＣｒ層と、厚さ２０ｎｍのＡｕ層とを成膜した、磁歪材料１１を有さない参照用のもの（Sample 1）、図８（ｂ）に示すように、Ａｕ層の上に、さらに厚さ１００ｎｍの超磁歪材料１１のGalfenol（Ga0.2Fe0.8）層を成膜したもの（Sample 2）、図８（ｃ）に示すように、Ａｕ層とGalfenol層との間に、厚さ２００ｎｍのBi2Te3層を成膜したもの（Sample 3）の３種類の試料を準備した。なお、Ｃｒ層とＡｕ層は、ＲＦマグネトロンスパッタで成膜し、Galfenol層は、イオンビームスパッタで成膜し、Bi2Te3層は、パルスめっきで成膜した。また、Ａｕ層とBi2Te3層が導電体１２ａを成している。また、各試料は短冊状であり、その大きさは、長さが７ｍｍ、幅が１ｍｍである。
　測定では、導電体１２ａに電流を流し、導電体１２ａと両持ち梁構造の磁歪材料１１との並び方向と、導電体１２ａの長さ方向とに対して垂直方向の磁場を印加した。また、導電体１２ａに、１．５Ｖ、１．５ｋＨｚの電圧を印加して交流電流を流した。印加磁場（Magnetic field）の大きさを０Ｔ～１Ｔまで変化させて、磁歪材料１１の変位（歪；Magnetostriction）を測定した。測定結果を、図９に示す。
　図９に示すように、磁歪材料１１がないSample 1 では、歪はほぼゼロであった。また、導電体１２ａがＡｕ層から成るSample 2 では、梁の最大振幅が０．０４ｎｍであり、最大歪は２５０ｐｐｍであった。また、導電体１２ａがＡｕ層とBi2Te3層とから成るSample 3 では、梁の最大振幅は０．２４ｎｍであり、最大歪は約２４００ｐｐｍであった。このように、Bi2Te3層からGalfenol層にスピン流を注入することにより、磁歪材料１１を特に大きく駆動できることが確認された。これは、Ｂｉを含む材料が大きなスピンホール係数を有するためであると考えられ、Ｂｉ－Ｔｅ系合金だけでなく、Ｂｉ－Ｓｅ系合金でも同様の効果を期待できる。また、Bi2Te3は、表面にスピン流が流れるトポロジカル絶縁体であり、Ｓｂ－Ｔｅ系合金などの他のトポロジカル絶縁体でも、同様の効果を期待できる。
　電力利用装置２０として、図１０に示すダイヤフラム３０を用いて、磁歪材料２１を振動させたときに導電体２２ａに発生する電位差の測定を行った。図１０に示すように、ダイヤフラム３０は、ＳｉＯ２製のハンドル層（厚さ３００μｍ）３１とＳｉ製のデバイス層（厚さ８μｍ）３２との間に、ＳｉＯ２製のＢＯＸ層（厚さ１μｍ）３３を有するＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウエハを用いて、以下のようにして製造した。まず、ＳＯＩウエハのデバイス層３２の表面に、Ｐｔ／Ｃｒから成るシード層（厚さ１５０ｎｍ）３４を形成し、さらにその表面に、Terfenol-D（Tb0ｘDy１－ｘFeｙ）の磁歪材料２１から成る表層（厚さ１５０ｎｍ）を、電解めっきにより形成した。その後、ハンドル層３１およびＢＯＸ層３３の中央部をエッチングすることにより、ハンドル層３１およびＢＯＸ層３３により両端部を支持された、デバイス層３２、シード層３４および磁歪材料２１から成るダイヤフラム３０を製造した。なお、シード層３４のＰｔが導電体２２ａに対応している。
　測定では、図１１に示すように、ダイヤフラム３０の長さ方向と厚さ方向とに対して直交する磁場を磁歪材料２１に印加した状態で、ＰＺＴアクチュエータ３５にダイヤフラム３０を設置し、ＰＺＴアクチュエータ３５を振動させた。印加磁場の大きさは５００ｍＴ、ＰＺＴアクチュエータ３５の駆動電圧は１０Ｖとした。ＰＺＴアクチュエータ３５を振動させることにより、共振したダイヤフラム３０の磁歪材料２１から発生したスピン流がスピンポンピングにより導電体２２ａのＰｔに流入し、逆スピンホール効果で導電体２２ａの両端に電位差が発生するため、その電位差（電圧）をロックインアンプ３６で測定した。測定した電位差は交流電圧である。
　まず、ＰＺＴアクチュエータ３５の振動周波数を１ｋＨｚ～２０ｋＨｚまで変化させたときの、その周波数と測定した交流電圧の振幅との関係を求め、図１２（ａ）に示す。図１２（ａ）に示すように、ダイヤフラム３０は、６．７７５ｋＨｚおよび７．９２５ｋＨｚで強く共振しており、ダイヤフラム３０の振動に応じた電位差が発生していることが確認された。
　次に、印加磁場を０ｍＴ～５５０ｍＴまで変化させたときの、６．７７５ｋＨｚおよび７．９２５ｋＨｚの共振周波数での交流電圧の振幅を測定し、図１２（ｂ）に示す。図１２（ｂ）に示すように、印加磁場が大きくなるに従って共振周波数で発生する電位差も大きくなっていくことが確認された。
　図１３および図１４は、本発明の第２の実施の形態のアクチュエータを示している。
　図１３に示すように、本発明の第２の実施の形態のアクチュエータ４０は、スピンバルブ構造を成し、固定層４１と自由層４２と非磁性層４３と流入手段とを有している。なお、以下の説明では、本発明の第１の実施の形態のアクチュエータ１０と重複する効果等の説明は省略する。
　固定層４１は、強磁性体から成り、磁化方向が面内方向で固定されている。固定層４１は、例えば、Ｃｏ、ＳｍＣｏ、Ｎｉなどから成っている。自由層４２は、磁歪材料から成り、磁化方向が面内方向で、固定層４１の磁化方向と同じ方向と、その反対方向との間で変化可能に構成されている。非磁性層４３は、固定層４１と自由層４２との間に配置されている。非磁性層４３は、薄く、例えば、Ｃｕなどの磁性のない金属や、Ａｌ２Ｏ３などの絶縁体から成っている。
　流入手段は、固定層４１と自由層４２との間に電圧を印加可能に設けられた電圧印加手段４４を有している。流入手段は、電圧印加手段４４で電圧を印加することにより、固定層４１からスピン偏極した電流を自由層４２に注入して、磁歪材料にスピン流を流入可能に構成されている。
　次に、作用について説明する。
　アクチュエータ４０は、スピンバルブ構造であり、電圧印加手段４４で固定層４１と自由層４２との間に電圧を印加することにより、自由層４２の磁歪材料にスピン流を流入させることができる。これにより、磁歪材料に歪を発生させたり、磁歪材料の体積を膨張させたりすることができ、磁歪材料を駆動することができる。
　例えば、図１４に示すように、アクチュエータ４０は、固定層４１、自由層４２および非磁性層４３が一体的に梁状を成していてもよい。このとき、電圧印加手段４４で電圧を印加することにより、自由層４２にスピン偏極した電流を注入することができる。これにより、磁歪材料が変形し、梁を湾曲させたり捻れさせたりすることができる。
　１０　アクチュエータ
　　１１　磁歪材料
　　１２　流入手段
　　　１２ａ　導電体
 
　２０　電力利用装置
　　２１　磁歪材料
　　２２　電力利用手段
　　　２２ａ　導電体
 
　３０　ダイヤフラム
　３１　ハンドル層
　３２　デバイス層
　３３　ＢＯＸ層
　３４　シード層
　３５　ＰＺＴアクチュエータ
　３６　ロックインアンプ
 
　４０　アクチュエータ
　　４１　固定層
　　４２　自由層
　　４３　非磁性層
　　４４　電圧印加手段

Claims (13)

  1. 　磁歪材料と、
    　前記磁歪材料にスピン流を流入可能に設けられた流入手段とを、
    　有することを特徴とするアクチュエータ。
  2. 　前記流入手段は、前記磁歪材料の表面に沿って設けられた導電体と、前記導電体に電流を流す電流供給手段とを有し、前記導電体は電流が流れるとスピン流を発生可能であることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
  3. 　前記電流供給手段により前記導電体に流す前記電流の方向と、前記導電体に発生する前記スピン流の流れる方向とに対して直交または斜交する磁場を、前記磁歪材料に印加する磁場印加手段を有することを特徴とする請求項２記載のアクチュエータ。
  4. 　前記導電体は、Ｐｔ、Ｗ、Ｔａ、Ｂｉ－Ｔｅ系合金、Ｂｉ－Ｓｅ系合金、または、Ｓｂ－Ｔｅ系合金から成ることを特徴とする請求項２または３記載のアクチュエータ。
  5. 　前記磁歪材料は梁状を成し、流入する前記スピン流により、湾曲および／または捻れの変形が可能に設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
  6. 　変形したときスピン流を発生可能な磁歪材料と、
    　前記スピン流が流入するよう設けられ、流入する前記スピン流により生じる電位差を利用する電力利用手段とを、
    　有することを特徴とする電力利用装置。
  7. 　前記電力利用手段は、前記スピン流が流入して電流が流れるよう、前記磁歪材料の表面に沿って設けられた導電体を有し、前記導電体に発生する電位差を利用するよう構成されていることを特徴とする請求項６記載の電力利用装置。
  8. 　前記導電体に流れる前記電流の方向と、前記導電体に流入する前記スピン流の流れる方向とに対して直交または斜交する磁場を、前記磁歪材料に印加する磁場印加手段を有することを特徴とする請求項７記載のアクチュエータ。
  9. 　前記導電体は、Ｐｔ、Ｗ、Ｔａ、Ｂｉ－Ｔｅ系合金、Ｂｉ－Ｓｅ系合金、または、Ｓｂ－Ｔｅ系合金から成ることを特徴とする請求項７または８記載の電力利用装置。
  10. 　前記磁歪材料は梁状を成し、湾曲および／または捻れの変形により前記スピン流を発生可能に設けられていることを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１項に記載の電力利用装置。
  11. 　前記電力利用手段は、前記電位差から前記磁歪材料の変形を検出するセンサ、または、前記電位差から発電を行う発電手段から成ることを特徴とする請求項６乃至１０のいずれか１項に記載の電力利用装置。
  12. 　強磁性体から成り、磁化方向が固定されている固定層と、
    　前記磁歪材料から成り、磁化方向が変化可能な自由層と、
    　前記固定層と前記自由層との間に配置された非磁性層とを有し、
    　前記流入手段は、前記固定層と前記自由層との間に電圧を印加可能に設けられた電圧印加手段を有し、前記電圧印加手段で電圧を印加することにより、前記固定層からスピン偏極した電流を前記自由層に注入して、前記磁歪材料に前記スピン流を流入可能に構成されていることを
    　特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
  13. 　前記固定層、前記自由層および前記非磁性層は一体的に梁状を成し、前記自由層に注入される前記スピン偏極した電流により、湾曲および／または捻れの変形が可能に設けられていることを特徴とする請求項１２記載のアクチュエータ。
     
PCT/JP2021/015364 2020-05-14 2021-04-13 アクチュエータおよび電力利用装置 WO2021229982A1 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP21802186.3A EP4152590A4 (en) 2020-05-14 2021-04-13 ACTUATOR AND ENERGY UTILIZATION DEVICE
CN202180034450.0A CN115552785A (zh) 2020-05-14 2021-04-13 致动器和用电装置

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020084878A JP7334906B2 (ja) 2020-05-14 2020-05-14 アクチュエータおよび電力利用装置
JP2020-084878 2020-05-14

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021229982A1 true WO2021229982A1 (ja) 2021-11-18

Family

ID=78510671

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2021/015364 WO2021229982A1 (ja) 2020-05-14 2021-04-13 アクチュエータおよび電力利用装置

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP4152590A4 (ja)
JP (1) JP7334906B2 (ja)
CN (1) CN115552785A (ja)
WO (1) WO2021229982A1 (ja)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004335502A (ja) 2003-04-30 2004-11-25 Hitachi Maxell Ltd 磁歪アクチュエータ及びその製造方法、並びに光スイッチ
JP2010245419A (ja) * 2009-04-09 2010-10-28 Keio Gijuku マイクロ波発振素子及びマイクロ波発振装置
WO2012121230A1 (ja) * 2011-03-10 2012-09-13 国立大学法人東北大学 音波－スピン流変換素子

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013047254A1 (ja) * 2011-09-27 2013-04-04 日本電気株式会社 熱電変換機能付き部材及びその製造方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004335502A (ja) 2003-04-30 2004-11-25 Hitachi Maxell Ltd 磁歪アクチュエータ及びその製造方法、並びに光スイッチ
JP2010245419A (ja) * 2009-04-09 2010-10-28 Keio Gijuku マイクロ波発振素子及びマイクロ波発振装置
WO2012121230A1 (ja) * 2011-03-10 2012-09-13 国立大学法人東北大学 音波－スピン流変換素子

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HARII KAZUYA, SEO YONG-JUN, TSUTSUMI YASUMASA, CHUDO HIROYUKI, OYANAGI KOICHI, MATSUO MAMORU, SHIOMI YUKI, ONO TAKAHITO, MAEKAWA S: "Spin Seebeck mechanical force", NATURE COMMUNICATIONS, vol. 10, no. 1, 1 December 2019 (2019-12-01), XP055867267, DOI: 10.1038/s41467-019-10625-y *
K. UCHIDAH. ADACHIT. ANH. NAKAYAMAM. TODAB. HILLEBRANDSS. MAEKAWAE. SAITOH: "Acoustic spin pumping: Direct generation of spin currents from sound waves in Pt/y Fe O hybrid structures", JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, vol. 111, 2012, pages 053909
See also references of EP4152590A4
ZHEN-YUAN JIAHUI-FANG LIUFU-JI WANGWEI LIUCHUN-YA GE: "A novel magnetostrictive static force sensor based on the giant magnetostrictive material", MEASUREMENT, vol. 44, no. 1, 2011, pages 88 - 95, XP027503375, DOI: 10.1016/j.measurement.2010.09.031

Also Published As

Publication number Publication date
CN115552785A (zh) 2022-12-30
EP4152590A4 (en) 2023-11-29
JP2021180563A (ja) 2021-11-18
EP4152590A1 (en) 2023-03-22
JP7334906B2 (ja) 2023-08-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5080811B2 (ja) 磁気セルを超高速制御するための方法及び装置
Zhou et al. Self-biased magnetoelectric composites: an overview and future perspectives
Nan et al. Self-biased 215MHz magnetoelectric NEMS resonator for ultra-sensitive DC magnetic field detection
US6501268B1 (en) Magnetic sensor with modulating flux concentrator for 1/f noise reduction
Ou-Yang et al. Magnetoelectric laminate composites: An overview of methods for improving the DC and low-frequency response
JP2010145147A (ja) 磁気センサ素子および磁気センサ
JP2020106394A (ja) 磁場検出装置および磁場検出方法
Xie et al. Local two-way magnetoelectric couplings in multiferroic composites via scanning probe microscopy
Chen et al. Large converse magnetoelectric coupling in FeCoV/lead zinc niobate-lead titanate heterostructure
JP5429013B2 (ja) 物理量センサ及びマイクロフォン
WO2021229982A1 (ja) アクチュエータおよび電力利用装置
Finkel et al. Enhanced resonant magnetoelectric coupling in frequency-tunable composite multiferroic bimorph structures
Chen et al. Multi-DOF lumped-parameter modeling of high-power giant magnetostrictive transducer coupled with spatial distribution of magnetic field
Chiriac et al. Magneto-surface-acoustic-waves microdevice using thin film technology: design and fabrication process
JPWO2004070408A1 (ja) 磁気センサ
Garnier et al. Magnetic actuation of bending and torsional vibrations for 2D optical-scanner application
JP4254220B2 (ja) 電磁アクチュエータおよび力学量センサ
Wu et al. Highly sensitive magneto-mechano-electric magnetic field sensor based on torque effect
JP4171979B2 (ja) 磁気インピーダンス素子
Huang et al. MEMS Surface Acoustic Wave Resonator Based on AlN/Si/Fe–Co–Si–B Structure for Magnetic Field Sensing
Dusch et al. Patterned L1-FePt for polarization of magnetic films
Ono et al. Actuation performance of a microstructure with spin-current volume effect
JP2020118492A (ja) 磁気センサ素子及び磁気センサ
Bourouina et al. Effect of direct current bias field and alternating current excitation field on vibration amplitudes and resonance frequencies of a magnetostrictively actuated bimorph microresonator
Huang et al. Actuation of microstructures with spin-current volume effect

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21802186

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 17923417

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2021802186

Country of ref document: EP

Effective date: 20221214