2014 Fiscal Year Research-status Report
電歪・磁歪型マルチフェロイック素子の性能を実用段階まで引き上げるための検証
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26870030
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| Research Institution | Hirosaki University |
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Principal Investigator |
久保田 健 弘前大学, 北日本新エネルギー研究所, 准教授 (70400405)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | マルチフェロイック / 複合材料 / アモルファス合金 / 磁歪合金 / 誘電体 / 磁気センサ / エネルギーハーベスト |
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| Outline of Annual Research Achievements |
PZT板の両面に高磁歪を有する軟磁性薄帯を積層した3層構造素子、強誘電－強磁性型マルチフェロイック素子の無給電磁界センサ/振動磁界エネルギーハーベスタとしての出力特性を改善・向上させることを目的に、1）肉厚なFeSiBPアモルファス合金薄帯の作製に向けた素材化プロセスの検証と得られた薄帯の性状調査、2）種々の厚みのFeSiBPアモルファス合金を磁歪層として用いた場合の3層素子の出力特性におよぼす磁歪層の厚み効果を調査、ならびに、3）層間の伝達応力を増大させる積層技術の基礎検証、これら3項を実施した。
項目1）について、銅ロール液体急冷法を用いたFeSiBP合金の肉厚化検証において、薄帯厚みは従前の基礎実験で70μmがアモルファス単相構造の形成限界とみられたが、作製条件の微調整によって約130μmまで向上した。既存のFeSiBアモルファス合金では従前の実験および本年度の追加実験のいずれにおいても約45μmが形成限界であったことを踏まえれば、FeSiBP合金固有の高いアモルファス相熱安定性を優位な方向で引き出せたといえる。また、続いて実施した熱分析と磁気特性評価から、上述する130μmまでは肉厚化に際しても抜熱の差異による構造緩和は認められず、超急冷状態の維持を確認した。
項目2）について、最大90μm厚のFeSiBP薄帯を積層した素子を作製し、出力特性を確認した結果、20μmや40μm厚の場合と比して磁界応答性が緩慢であるものの、出力ポテンシャルは磁歪層の厚みに応じて高くなることを確認した。また、磁歪薄帯を熱処理することによる出力強度と応答性の向上を確認した。
項目3）について、PZTとFeSiBP薄帯を積層する際の接合剤をエポキシ樹脂系、シアノアクリレート系やエポキシ/アクリル混合樹脂系として、PZTと市販FeSiBアモルファス薄帯とし、出力特性を比較した結果、剪断力の高い接着剤ほど出力は高くなる傾向を得た。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
FeSiBPアモルファス合金薄帯の肉厚化については、作製条件の洗い出しのみで70μmから130μmまで向上している。既存設備のみでは肉厚化の上限近い領域に達していると考えられるが、これ以上の肉厚材を得るための技術課題と解決策（案）は絞り込めており、資機材の手配にも問題はない。今年度中に150μm厚の達成、目標としては200μm厚を目指した検証実験を行いたい。磁歪薄帯の熱処理については、「赤外線イメージ炉を用いて真空中、種々温度で10分保持後に炉冷」を暫定的なルーチンとし、一定の結果を得ている。ただし、熱処理時間も制御パラメータとして加えることで、軟磁性として最適なアモルファス構造状態を得られる可能性は否定できず、包括的な基礎調査として実施したい。
3層複合素子において得られる出力特性は、磁歪薄帯の基礎的な磁気特性と正の相関を示すことを確認できている。また、肉厚な磁歪薄帯を用いることで素子の出力は確実に増大することも確認した。しかしながら、磁歪薄帯の肉厚化は反磁界を増大させるため、磁界応答性の緩慢化、すなわちアモルファス磁歪薄帯を用いることの優位性である敏感な磁界応答性の劣化に直結することも見出しており、出力の増大と引き換えに失った磁界応答性の改善についての解決策を講じる必要も生じた。なお、既に解決に向けた２つの実験に着手しており、一定の効果があることは確認している。
磁歪層の歪みを効率よく誘電層に伝達させるための積層技術の検証からは剪断強度の選定が応力伝達の大小に影響を及ぼすことを見出している。ただし、この知見を本年度に実施した樹脂系接合から、より強固と考えられる金属系接合へステップアップした際の振る舞いについては不明であり、かつ、金属系接合では加熱が必須となるため、誘電体PZTに対して再度の分極処理を要することを予想すれば、この項目のみ達成度はやや低いと認識しており、早急に実施する。
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| Strategy for Future Research Activity |
薄帯の肉厚化研究については、更なる肉厚化を目指す上での技術課題の絞込みと解決策の模索は、研究協力者と討論を重ねており、目標に向けて地道にプロセス研究を行う。磁歪薄帯材における軟磁気特性の最適化研究、3層積層素子の出力特性の基本調査について、各種の分析・測定はルーチン化しており、大学院生の研究テーマとして設定している背景もあり、円滑に進むと考えられる。3層積層素子のデバイス構成最適化について、肉厚な磁歪層が反磁界影響を過大に受けることの対策について、幅広薄帯ではなく幅細材の平行配置接合という対策方でも効果が得られているが、構造点数が増えることによって接合自体は複雑化しており、接合の均質化や部材の均質化をコレまで以上に高い次元で管理する必要がある。特性の再現性を確保する点について、研究協力者や接着メーカーと素材ならびに接合方法に関する討論を重ね、種々の実験を試みる計画であるが、重量体積あたりの発生エネルギー、コストあたりの発生エネルギーの観点を常に重視して実施する。
応力を高効率に伝達するための積層技術の検証については、上述するデバイス構成の最適化と合わせて高いハードルが再設定されたと考えるが、樹脂系接合と金属系接合の検証を第一とし、応力伝達に優位な接合法の決定を優先する。また必要に応じて、固相反応などの新技術の検討についても追加で取り入れたい。
試作した素子は実験室測定器での評価に留まらず、その実使用を想定した検証にも着手するべきであって、本年は、磁気センサとしての位置付けで各種電子機器の漏れ磁束検出デバイスとしての機能についても実証を含めて実験を実施する。
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| Causes of Carryover |
本年は研究協力者との技術討論はメール及び電話ベースとしたため、当初想定よりも旅費の支出割合が低くなった。また、肉厚な磁歪薄帯を製造するための小額備品の調達を予定していたが、開発メーカー側都合により、本年の調達を見合わせた。その反面、所属における試料作製と各種測定評価に注力したため、物品費（消耗品）の調達割合が高くなっている。人件費・謝金については、本研究の一部を大学院生の研究テーマとしており、実験上における役割が常識の範囲内であったため、使用しなかった。
これらの総合的な結果として、281,469円の繰越が発生した。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成26年度分繰越額：281,469円を含めた平成27年度助成金の使途について、そのほとんどは従来計画通りであるが、消耗品は平成26年度調達分で一部融通可能な品もあり、消耗品額は若干の減額を見込んでいる。また、平成26年度に実施できなかった「肉厚なアモルファス薄帯を製造するための装置改造部品（小額備品）」の調達を本年に実施する計画である。旅費については、実験および研究協力者との討論のため2回を、学会における成果発表を2回、それぞれ計画している。人件費・謝金については、装置改良に工数が必要であって、当初計上通り、その他使途についても学会参加費、通信費や試料送料を考慮し、当初計上通りで計画している。
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Research Products
(2 results)
