Elucidation and improvement of dynamic magnetostriction behavior based on microstructure data using combinatorial method

• Project/Area Number: 19J02078
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 18010:Mechanics of materials and materials-related
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 山崎 貴大 (2019-2020) 名古屋大学, 工学研究科, 特別研究員(PD)
• Research Fellow: 山崎 貴大 (2021) 名古屋大学, 工学研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2019-04-25 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2020: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2019: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 磁歪材料 / 機械学習 / コンビナトリアル手法 / 組織制御 / バルクハウゼンノイズ / 振動発電 / コンビナトリアル技術

Outline of Research at the Start

近年，磁歪材料を利用した環境振動発電が注目を集めており，磁歪現象の構造科学的解明による発電性能の向上が期待される．本研究では，多様な微構造を有する磁歪合金薄膜を集積製作し，変動磁場下で発生するバルクハウゼンノイズ（微小な磁気ノイズ）の計測・評価を実施する．得られたノイズ波形に対する機械学習を援用したスペクトル解析により，磁歪材料の高性能化に寄与する微構造パラメータの抽出が可能となり，新たな多結晶磁歪合金の設計指針構築が実現する．

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、コンビナトリアル手法と機械学習を組み合わせた磁歪材料の組織構造予測手法の確立を目的としている。本年度は、2021年4月から2022年3月まで米国メリーランド大学へ渡航し、本研究課題の推進に必要な技術・ノウハウを取得するための在外研究を実施した。その成果の一部は学術論文誌に投稿し、現在、査読中である。さらに、本テーマに関連する他の研究テーマにおいて、学会誌への発表5件、国内学会発表2件、国外学会発表2件を実施した。
渡航先の米国メリーランド大学ではIchiro Takeuchi研究室に所属し、主に機械学習を利用して新規な機能、プロセス、組織構造などの材料設計手法の開発を実施した。特に、そこで学んだ機械学習の手法を参考に本研究課題を進展させ、高い予測精度での磁性材料の組織構造の予測に成功した。さらに、特徴量重要度の寄与度ランキングを算出することにより、バルクハウゼンノイズ発生モデルが申請者の仮説に合致することを示すことができた。帰国後もTakeuchi研究室で取り組む機能性材料の組織構造と機能発現に関するプロジェクトを共同研究者として継続しており、引き続き、そのデータ取得、論文執筆に関する議論を実施していく予定である。
当初予定としていた実験手法であるコンビナトリアル手法を利用した薄膜材料の組織制御による多数組織解析への展開は、予期しないいくつかの技術課題により本研究期間での達成は叶わなかった。しかしながら、本研究課題の目的・コンセプトである、機械学習を援用したバルクハウゼンノイズ解析による磁性材料の微構造解析とそのマクロ視点からの磁化反転挙動と動的な磁歪挙動に関する知見を取得し、更なる研究課題への進展に期待できる成果を得ることができた。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Combinatorial search for Ti-Ni-Hf high formable shape memory alloys (2022)
  • Author(s): S. Inoue, T. Yamazaki, C. Oka, S. Hata, J. Sakurai
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: - Issue: 6 Pages: 065507-065507
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac6a97
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effect of structural relaxation at bellow crystallization temperature on internal stress of Ni-Nb-Zr thin-film amorphous alloys diaphragm for Micro electromechanical systems sensors (2022)
  • Author(s): F. Haga, T. Yamazaki, C. Oka S. Hata Y. Hoshino, J. Sakurai
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: - Issue: SD Pages: SD1027-SD1027
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac5d12
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Fabrication and Evaluation of Actuators for Reaction Force Variable Passive-type Tactile Displays (2021)
  • Author(s): 南原 圭汰，山崎 貴大，岡 智絵美，秦 誠一，櫻井 淳平
  • Journal Title: IEEJ Transactions on Sensors and Micromachines Volume: 141 Issue: 9 Pages: 304-309
  • DOI: 10.1541/ieejsmas.141.304
  • NAID: 130008082227
  • ISSN: 1341-8939, 1347-5525
  • Year and Date: 2021-09-01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Stress-driven magnetic Barkhausen noise generation in FeCo magnetostrictive alloy (2021)
  • Author(s): T. Yamazaki, Y. Furuya, S. Hata, W. Nakao
  • Journal Title: IEEE Transactions on Magnetics Volume: 58, 1 Issue: 1 Pages: 1-8
  • DOI: 10.1109/tmag.2021.3126898
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Examination of Mechanical Properties and Photoelastic Properties of Gel Material for Blood Vessel Mimics (2021)
  • Author(s): D. Yamada, S. Hori, S. Abe, Y. Kumeno, T. Yamazaki, C. Oka, J. Sakurai, S. Hata
  • Journal Title: Journal of Medical Devices Volume: 15 Issue: 3 Pages: 31011-31011
  • DOI: 10.1115/1.4051516
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Combinatorial synthesis of nanocrystalline FeSiBPCuC-Ni-(Nb,Mo) soft magnetic alloys with high corrosion resistance (2021)
  • Author(s): Takahiro Yamazaki, Tatsuya Tomita, Katsutoshi Uji, Hidenori Kuwata, Kohya Sano, Chiemi Oka, Junpei Sakurai, Seiichi Hata
  • Journal Title: Journal of Non-Crystalline Solids Volume: 563 Pages: 120808-120808
  • DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2021.120808
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Particle-in-cell Monte Carlo collision simulation and experimental measurement of Ar plasma in a fast atom beam source for surface-activated bonding (2021)
  • Author(s): Ryo Morisaki , Takahiro Yamazaki , Chiemi Oka , Junpei Sakurai , Takami Hirai , Tomonori Takahashi , Hiroyuki Tsuji , Noriyasu Ohno , and Seiichi Hata
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 60 Issue: SC Pages: SCCB01-SCCB01
  • DOI: 10.35848/1347-4065/abe683
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of a fast atom beam gun for surface-activated bonding (2020)
  • Author(s): Ryo Morisaki, Yuuki Hirai, Chiemi Oka, Mizue Mizoshiri, Takahiro Yamazaki, Junpei Sakurai, Takami Hirai, Tomonori Takahashi, Hiroyuki Tsuji and Seiichi Hata
  • Journal Title: Precision Engineering Volume: 62 Pages: 106-112
  • DOI: 10.1016/j.precisioneng.2019.11.006
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Novel dynamic force sensing system using magnetostrictive energy harvester (2019)
  • Author(s): T. Yamazaki, Y. Furuya, W. Nakao, S. Hata
  • Journal Title: 30th 2019 International Symposium on Micro-NanoMechatronics and Human Science Volume: 2071 Pages: 281-284
• [Journal Article] Evaluation of the Inverse Magnetostrictive Effect in Heat-treated Fe-Co Wire/Polymer Composites (2019)
  • Author(s): K. Katabira, N. Kimura, T. Yamazaki, F. Narita
  • Journal Title: Material Design and Processing Communication Volume: e81 Issue: 5
  • DOI: 10.1002/mdp2.81
  • Peer Reviewed
• [Presentation] New soft magnetostrictive materials design based on nanocrystalline/amorphous mixed-phase structure (2021)
  • Author(s): K. Sano, T. Tomita, C. Oka, J. Sakurai, S. Hata, T. Yamazaki
  • Organizer: The Eighth International Symposium on Organic and Inorganic Electronic Materials and Related Nanotechnologies (EM-NANO2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Simpler Microstructural Estimation Using Machine Learning-assisted Magnetic Barkhausen Noise Analysis (2021)
  • Author(s): K. Omae, C. Oka, J. Sakurai, S. Hata, T. Yamazaki
  • Organizer: The Eighth International Symposium on Organic and Inorganic Electronic Materials and Related Nanotechnologies (EM-NANO2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高磁歪・高磁化率を両立した複相磁性材料の創製に向けた検討 (2021)
  • Author(s): 佐野 光哉, 山崎 貴大, 岡 智絵美, 櫻井 淳平, 秦 誠一
  • Organizer: 第29回機械材料・材料加工技術講演会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ナノ結晶軟磁性材料の高磁歪化に向けた合金設計 (2021)
  • Author(s): 佐野 光哉，冨田 龍也，岡 智絵美，櫻井 淳平，山崎 貴大，秦 誠一
  • Organizer: 第45回日本磁気学会学術講演会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Novel dynamic force sensing system using magnetostrictive energy harvester (2019)
  • Author(s): T. Yamazaki, Y. Furuya, W. Nakao, S. Hata
  • Organizer: 30th 2019 International Symposium on Micro-Nano Mechatronics and Human Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Machine learning-based magnetic Barkhausen noise analysis for microstructure-property optimization (2019)
  • Author(s): T. Yamazaki, S. Hata
  • Organizer: Machine Learning for Materials Research Bootcamp 2019 & Workshop on Autonomous Materials Research
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] センサ応用に向けた磁歪材料のバルクハウゼンノイズ解析 (2019)
  • Author(s): 山崎貴大，秦誠一
  • Organizer: マテリアルズ・インフォマティクス懇談会 第4回研究会
  • Invited
• [Presentation] バルクハウゼン効果を利用したFe-Co磁歪合金の塑性ひずみ予測 (2019)
  • Author(s): 山崎貴大，古屋泰文，中尾航
  • Organizer: 日本機械学会2019年度年次大会
• [Remarks] 名古屋大学大学院工学研究科 マイクロ・ナノプロセス工学研究グループＨＰ
  • URL: http://mnp.mech.nagoya-u.ac.jp/jp/