阅读说明：本技术 磁致伸缩元件及使用其的磁致伸缩式振动发电装置 (Magnetostrictive element and magnetostrictive vibration power generation device using same ) 是由 中村太一 酒井一树 于 2019-07-25 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种磁致伸缩元件及使用其的磁致伸缩式振动发电装置,磁致伸缩元件示出更大的发电量及发电密度。磁致伸缩元件由磁致伸缩材料构成,并且,在相互对置的第一端部及第二端部之间沿长边方向延伸,所述磁致伸缩材料是以下述式1表示的单晶合金,Fe<Sub>(100-α-β)</Sub>Ga<Sub>α</Sub>X<Sub>β</Sub>…式1,在式1中,α及β分别是以at％为单位的Ga含有率及以at％为单位的X含有率,X是从由Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Cu及C构成的组中选择的一种以上的元素,满足5≤α≤40且0≤β≤1,其中,该磁致伸缩元件与所述长边方向平行地具有所述单晶合金的＜100＞晶体取向,并且,Ga浓度具有在从所述第二端部朝向所述第一端部的方向上减少的梯度。(The invention provides a magnetostrictive element and a magnetostrictive vibration power generation device using the same, wherein the magnetostrictive element shows larger power generation amount and power generation density. The magnetostrictive element is made of a magnetostrictive material, and extends in the longitudinal direction between a first end and a second end which are opposite to each other, the magnetostrictive material being a single crystal alloy represented by the following formula 1, Fe (100‑α‑β) Ga α X β … formula 1, wherein in formula 1, α and β are the Ga content in at% and the X content in at%, X is at least one element selected from the group consisting of Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Cu and C, 5 ≤ α ≤ 40 and 0 ≤ β ≤ 1, respectively, and the magnetostrictive element has the single crystal alloy in parallel with the longitudinal direction<100> crystal orientation, and the Ga concentration has a gradient decreasing in a direction from the second end toward the first end.)

磁致伸缩元件及使用其的磁致伸缩式振动发电装置

技术领域

本发明涉及由磁致伸缩材料构成的磁致伸缩元件及使用该磁致伸缩元件的磁致伸缩式振动发电装置。

背景技术

近年来，期待具有自主通信的功能的事物彼此进行信息交换并且自动地相互进行控制的世界、即物联网(IoT：Internet of Things)的世界的到来。当IoT浸透于社会时，具有通信功能的IoT设备大量上市。为了使传感器这样的IoT设备动作而需要电源。但是，当设备的数量变得庞大时，在布线、维护的时间及成本的方面，电源确保变得困难。因此，在实现IoT时，谋求适于IoT设备的电力供给技术。基于这样的背景，认为将在我们周围无处不在的微小能量转换成电力来有效利用的技术即“能量收集”是重要的。作为能源之一的振动在机动车、铁道、机械或人等运动时必定产生，因此，发生场所多，是不受气象、气候左右的能源。因此，通过振动发电来维持与这些移动体的运动连动的应用程序的电源供给的系统的构筑认为能够成为效率更高的IoT的实现的开端。

振动发电的发电方式被分类为磁致伸缩式、压电式、静电感应式及电磁感应式这四种。磁致伸缩式是使通过施加应力而伴随着磁致伸缩材料内部的磁场的变化向外部泄漏的磁通通过卷绕的线圈而转换为电的方式。由于内部电阻比其他方式小，因此，发电量大。另外，由于使用金属合金作为磁致伸缩材料，因此具有耐久性优异这样的特征。因此，磁致伸缩式作为能够提高磁致伸缩式振动发电装置或元件的课题之一即耐久性的方式而得到期待。

作为磁致伸缩式振动发电装置，例如能够举出悬臂构造的装置。现有的悬臂构造的磁致伸缩式振动发电装置具备：由磁致伸缩材料构成的磁致伸缩棒(或磁致伸缩元件)；卷绕于磁致伸缩棒的线圈；相对于磁致伸缩棒平行地配置的磁性棒；弯曲成コ字状的框架；以及安装在框架的内侧的磁铁(参照专利文献1)。框架由磁性材料构成，在夹着コ字状的弯曲部位的状态下，一方的端部成为被固定支承的固定端，另一方的端部成为自由端。使框架的一部分作为背轭(back yoke)发挥功能，并且，在未安装该磁铁的框架的内侧面与该磁铁之间形成有空隙。

在将上述一方的端部设为固定端的悬臂构造中，当在水平面内赋予外力(振动)时，向磁致伸缩棒施加拉伸及压缩应力，磁力线变化为交变磁场。因此，构成为基于电压与磁通密度的时间变化成比例地产生这一电磁感应定律，使线圈产生电压，将其作为电能输出。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2015/141414号公报

发明内容

发明要解决的课题

在磁致伸缩式振动发电装置中，发电量P由P＝NI·d/dt(∫BdA)表示，发电密度E由E＝P/v表示。这里，N表示线圈的匝数，I表示线圈中流动的电流值，B表示磁致伸缩元件的磁通密度，A表示磁致伸缩元件的截面面积，v表示磁致伸缩式振动发电装置的体积。然而，在上述那样的磁致伸缩式振动发电装置中，在悬臂构造中，当在水平面内赋予外力(振动)时，固定端向磁致伸缩元件施加的应力大于自由端向磁致伸缩元件施加的应力，在磁致伸缩元件内未均匀地施加应力，产生应力分布。由于产生应力分布，在磁致伸缩元件内通过的磁力线也产生分布，因此，磁致伸缩元件整体的磁通密度B的变化变小，发电量P变小。因此，发电密度E(单位体积的发电量P)也变小，无法实现能够实现IoT的高输出化(高发电量化)。为了实用化，需要提高磁致伸缩式振动发电装置的发电密度E。例如，在向轮胎气压监视系统、工厂内传感器网络应用磁致伸缩式振动发电装置的情况下，消耗电力密度要求约为1.0mW/cm³。

本发明的目的在于，提供一种示出更大的发电量及发电密度的磁致伸缩元件及磁致伸缩式振动发电装置。

用于解决课题的手段

根据本发明的第一方案，提供一种磁致伸缩元件，其由磁致伸缩材料构成，并且，在相互对置的第一端部及第二端部之间沿长边方向延伸，所述磁致伸缩材料是以下述式(1)表示的单晶合金，

Fe_(100-α-β)Ga_αX_β…(1)

在式(1)中，α及β分别是Ga含有率(at％)及X含有率(at％)，X是从由Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Cu及C构成的组中选择的一种以上的元素，满足5≤α≤40且0≤β≤1，

该磁致伸缩元件与所述长边方向平行地具有所述单晶合金的<100>晶体取向，并且，Ga浓度具有在从所述第二端部朝向所述第一端部的方向上减少的梯度。

在本发明的第一方案的一个方式中可以为，所述磁致伸缩元件具有板状的形状。

在本发明的第一方案的一个方式中可以为，Ga浓度在所述第一端部为14at％以上且16at％以下，在所述第二端部为17at％以上且19at％以下。

在本发明的第一方案的一个方式中可以为，Ga浓度在从所述第二端部朝向所述第一端部的方向上，以每1mm平均0.15at％以上且0.2at％以下的比例减少。

在本发明的第一方案的一个方式中可以为，X是从由Sm、Cu及C构成的组中选择的一种以上的元素，满足14≤α≤19且0.5≤β≤1。

根据本发明的第二方案，提供一种磁致伸缩式振动发电装置，具备发电部以及与该发电部连接的框架，

所述发电部具有第一端部及第二端部，并且具备：配置于该发电部的该第一端部且由非磁性材料构成的振动板；配置于该发电部的该第二端部的第一方案所述的磁致伸缩元件；以及沿着所述长边方向卷绕在所述磁致伸缩元件上的线圈，

所述框架具有第一端部及第二端部，并且在该框架的该第一端部连接有所述发电部的所述第二端部，所述框架具备：遍及该框架的该第一端部及该第二端部之间而延伸且由磁性材料构成的框架主体；以及设置于该框架主体使得与所述发电部的所述磁致伸缩元件对置的磁铁，

所述磁致伸缩元件配置为，从该发电部的该第二端部朝向该第一端部的方向对应于该磁致伸缩元件的长边方向，并且在该磁致伸缩元件的所述第一端部连接有所述振动板。

在本发明的第二方案的一个方式中可以为，所述发电部及所述框架在整体上具有コ字形状。

在本发明的第二方案的一个方式中可以为，所述磁铁设置于所述框架主体，使得与所述磁致伸缩元件在该磁致伸缩元件的所述第一端部对置。

发明效果

根据本发明，提供示出更大的发电量及发电密度的磁致伸缩元件及磁致伸缩式振动发电装置。

附图说明

图1是本发明的实施方式中的磁致伸缩元件的概要图。

图2是示出本发明的实施方式中的磁致伸缩元件的Ga浓度的模式分布的图表。

图3是示出具备本发明的实施方式中的磁致伸缩元件的磁致伸缩式振动发电装置的剖视图。

图4是示出具备本发明的实施方式中的磁致伸缩元件的磁致伸缩式振动发电装置的立体图。

附图标记说明：

1 磁致伸缩元件；

1a 磁致伸缩元件的第一端部；

1b 磁致伸缩元件的第二端部；

2 发电部；

2a 发电部的第一端部；

2b 发电部的第二端部；

3 框架；

3a 框架的第一端部；

3b 框架的第二端部；

3A 框架主体；

4 磁铁；

5 振动板；

6 线圈；

10 磁致伸缩式振动发电装置。

具体实施方式

以下，针对本发明的实施方式中的磁致伸缩元件及其制造方法、以及具备该磁致伸缩元件的磁致伸缩式振动发电装置进行说明。但是，本发明不局限于上述实施方式。

<磁致伸缩元件>

本实施方式中的磁致伸缩元件由磁致伸缩材料构成，并且，在相互对置的第一端部及第二端部之间沿长边方向延伸，所述磁致伸缩材料是以下述式(1)表示的单晶合金，

Fe_(100-α-β)Ga_αX_β…(1)

在式(1)中，α及β分别是Ga含有率(at％)及X含有率(at％)，X是从由Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Cu及C构成的组中选择的一种以上的元素，满足5≤α≤40且0≤β≤1，

其中，该磁致伸缩元件与长边方向平行地具有单晶合金的<100>晶体取向，并且，Ga浓度具有在从第二端部朝向第一端部的方向上减少的梯度。

需要说明的是，在上述式(1)的FeGaX单晶合金中，也包括β＝0的情况，因此，也包括FeGa的二元系合金。

优选的是，在上述式(1)的基础上，X是从由Sm、Cu及C构成的组中选择的一种以上的元素，满足14≤α≤19且0.5≤β≤1。在其他实施方式中，在上述式(1)的基础上，可以满足14≤α≤19且β＝0，优选的是可以满足17≤α≤18.4且β＝0。

本实施方式的磁致伸缩元件可以具有任意的合适的形状。例如，能够具有长方体形状(也称为板状的形状)、立方体形状、圆柱形状、多棱柱形状或其他立体形状。其中，优选为板状的形状。在为板状的形状的情况下，能够为如下形状：大小例如在截面尺寸中为宽度5mm～20mm及高度1mm～3mm，优选为宽度10mm及高度1mm左右，长边方向的长度(相互对置的一方的端部与另一方的端部之间的距离)为10mm～30mm，优选为30mm左右，更优选为20mm左右。

在本公开中，“Ga浓度”是指Ga元素的原子数相对于合金整体的原子数的比例，是使用at％(原子百分比)的单位表示的值。更详细而言，是通过利用电子束微分析仪(EPMA)对合金进行分析而测定出Ga元素的含有率的值。关于合金所含的其他元素(例如Fe、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Cu或C)的浓度或含有率，也是用同样的方法测定出的at％(原子百分比)的值。需要说明的是，构成本实施方式中的磁致伸缩元件的磁致伸缩材料的单晶合金(FeGa合金或FeGaX合金)只要基本上由列举的元素构成即可，可能包括不可避免地混入的微量元素(例如，小于0.005at％的氧)。

在本公开中，“梯度”是指沿着从特定的部位朝向其他特定的部位的方向，例如浓度等规定的值以减少或增加的方式变化的情况。在本公开中，梯度尤其指以单调减少或单调增加的方式变化。详细而言，在本公开中，关于Ga浓度的梯度，通过利用EPMA，在磁致伸缩元件的中心，从一方的端部侧到另一方的端部侧实施多个位置处的点分析或线分析等，从而进行测定。

在本公开中，单晶合金的<100>晶体取向能够通过公知的方法来决定，但尤其指通过EBSD(Electron BackScatter Diffraction，电子背散射衍射)法而决定的<100>晶体取向。在FeGa合金或FeGaX合金中，<100>取向是容易被磁化的取向，因此，本实施方式的磁致伸缩元件通过与其长边方向平行地具有单晶合金的<100>晶体取向，从而能够得到更大的磁致伸缩量。或者，即便在与磁致伸缩元件的长边方向平行的方向从FeGa合金或FeGaX合金的<100>晶体取向起以10°以下、优选为6°以下、更优选为4°以下的尽可能小的角度而具有差的情况下，也能够得到较大的磁致伸缩量，因此，也可以作为本实施方式的磁致伸缩元件而使用。

此外，参照附图对本实施方式中的磁致伸缩元件具体进行说明。

图1是本发明的实施方式中的磁致伸缩元件的概要图。磁致伸缩元件1由以上述的式(1)表示的单晶合金即磁致伸缩材料构成。如图1所示，磁致伸缩元件1在相互对置的一方的端部即磁致伸缩元件的第一端部1a及另一方的端部即磁致伸缩元件的第二端部1b之间沿长边方向延伸，成为板状的形状。此外，在磁致伸缩元件的第一端部1a及磁致伸缩元件的第二端部1b之间的长边方向上，如图1所示，将磁致伸缩元件的第二端部1b侧设为地点A，将中间部设为地点B，将磁致伸缩元件的第一端部1a侧设为地点C。磁致伸缩元件1与该长边方向平行地具有式(1)的单晶合金的<100>晶体取向，并且，在地点A、地点B及地点C对磁致伸缩元件1的Ga浓度进行比较时，按照地点A、地点B及地点C依次成为较高的值。

优选的是，Ga浓度在磁致伸缩元件的第一端部1a为14at％以上且16at％以下，在磁致伸缩元件的第二端部1b为17at％以上且19at％以下。另外，优选的是，Ga浓度在从磁致伸缩元件的第二端部1b朝向磁致伸缩元件的第一端部1a的方向上按照每1mm平均0.15at％以上且0.2at％以下的比例而减少。需要说明的是，磁致伸缩元件的第一端部1a及磁致伸缩元件的第二端部1b处的Ga浓度可以为接近磁致伸缩元件1的端缘(或边)的位置处的浓度，例如是指从磁致伸缩元件1的端缘起的0～3mm的范围以内的区域、代表性为约0.5～2.5mm的区域内的Ga浓度。

图2是示出本发明的实施方式中的磁致伸缩元件的Ga浓度的模式分布的图表。图2的x轴示出磁致伸缩元件1的地点A、地点B及地点C。y轴示出磁致伸缩元件1的Ga浓度(at％)。例如，如该模式分布的图表所示，本实施方式中的磁致伸缩元件1的Ga浓度从地点A朝向地点C(在长边方向上且在从磁致伸缩元件的第二端部1b朝向磁致伸缩元件的第一端部1a的方向上)具有浓度的梯度，呈单调减少的趋势。

本发明的实施方式中的磁致伸缩元件1由于具有Ga浓度的梯度，因此，在该梯度内示出不同的磁特性(或者磁各向异性)。更详细而言，磁致伸缩元件1在Ga浓度的梯度内的不同位置处，磁通密度的变化的比例不同。在本公开中，施加应力时的磁通密度的变化能够通过在拉伸压缩试验机设置B-H曲线测定装置来测定。

制造本实施方式的磁致伸缩元件1的方法能够使用任意合适的合金制造方法，没有特别限定。例如举出切克劳斯基(Czochralski)法(CZ法)、布里奇曼(Bridgeman)法、或者急冷凝固(rapid solidification)法等。当通过CZ法进行制造时，在大型的晶体中，能够高精度地制造化学组成及晶体取向。关于Ga浓度的梯度，例如在CZ法中，使坩埚与晶种旋转方向反向地旋转，以及适当调整各工序中的条件(例如晶种及坩埚的转速、压力等条件)，通过EPMA分析进行测定及确认，由此，只要是本领域技术人员，就能够形成于磁致伸缩元件1。为了得到所希望的形状的磁致伸缩元件1，能够使用任意的公知的方法。例如，能够通过线放电加工等来切出。

<磁致伸缩式振动发电装置>

图3是示出具备本发明的实施方式中的磁致伸缩元件的磁致伸缩式振动发电装置的剖视图。图4是示出具备本发明的实施方式中的磁致伸缩元件的磁致伸缩式振动发电装置的立体图。如图3及图4所示，磁致伸缩式振动发电装置10具备发电部2以及与该发电部2连接的框架3。

发电部2及框架3分别具有一方及另一方的端部，即，发电部的第一端部2a及发电部的第二端部2b、以及框架的第一端部3a及框架的第二端部3b，发电部的第二端部2b与框架的第一端部3a连接。

发电部的第二端部2b与框架的第一端部3a的连接方法只要在整体上不较大阻碍本实施方式中的磁致伸缩式振动发电装置10的功能、即形成适当的磁路的功能，则没有特别限定。例如，举出利用螺钉、螺栓、螺母、焊料、粘合剂、蜡材料等进行固定的方法，其中，尤其举出利用螺钉、螺栓、螺母进行固定的方法。

框架3具备框架主体3A和磁铁4。框架主体3A遍及框架的第一端部3a及框架的第二端部3b之间而延伸，由磁性材料、尤其是强磁性材料构成。例如，作为强磁性金属材料，能够举出冷轧钢板及钢带(SPCC、SPCD、SPCE、SPCF、SPCG)等。图3及图4所示的框架主体3A的形状是コ字形状，但只要是最终连接各个构成要素而作为磁致伸缩式振动发电装置10发挥功能的形状，则没有特别限定。例如，所连接的发电部2及框架3在整体上也可以为コ字形状、U字形状等。更详细而言，从该发电部的第二端部2b延伸到发电部的第一端部2a的发电部2与在朝向框架的第二端部3b的方向上延伸的框架主体3A对置，发电部的第一端部2a(振动板5侧的端部，即自由端侧的端部)与框架的第二端部3b(即固定端侧的端部)成为相面对的形状即可。

磁铁4设置于框架主体3A，使得与发电部2的磁致伸缩元件1对置。优选的是，设置于框架主体3A，使得与磁致伸缩元件1在磁致伸缩元件的第一端部1a对置。具体而言，能够设置为在磁铁4与磁致伸缩元件1之间形成空隙。当像这样形成空隙时，经由空隙适当地形成通过磁铁4、磁致伸缩元件1以及框架主体3A的磁闭合回路。磁铁4只要是具有吸引磁性材料的性质且产生双极性的磁场的物质即可，没有特别限定。例如举出钕磁铁、钐钴磁铁、铝镍钴磁铁等。优选的是，磁铁是钕磁铁。

关于框架主体3A与磁铁4的设置方法，例如可以仅在作为磁性材料的框架主体3A上载置磁铁4。当载置磁铁4时，能够借助其磁力，在磁力线通过框架主体3A的状态下被粘合。或者，也可以通过使其他磁力通过的方法进行设置或连接。当利用磁力线难以通过的粘合剂等对框架主体3A与磁铁4进行粘合时，成为磁阻，所形成的磁路的大小变小。

如图3及图4所示，发电部2具备振动板5、上述的实施方式中的磁致伸缩元件1、以及线圈6。

振动板5配置在发电部的第一端部2a。振动板5只要由非磁性材料构成即可，材料没有特别限定。例如由非磁性金属(例如铝、钛、铜、黄铜)、树脂(例如丙烯酸树脂)等材料构成。通过使振动板5的尺寸(长度及厚度)变化或者在振动板5上附加重物等，能够使振动板5的弹簧特性变化来调节谐振频率。

磁致伸缩元件1配置在发电部的第二端部2b。磁致伸缩元件1是上述实施方式中的磁致伸缩元件1，但配置为从发电部的第二端部2b朝向发电部的第一端部2a的方向对应于磁致伸缩元件1的长边方向，并且，在磁致伸缩元件的第一端部1a，即在Ga浓度更低的端部侧(地点C附近)，与振动板5连接。

在磁致伸缩元件1中，地点A的Ga浓度更高，因此，在所施加的应力较大的情况下，无负荷时与应力施加时的磁通密度差较大。另一方面，地点C的Ga浓度更低，因此，在所施加的应力较小的情况下，无负荷时与应力施加时的磁通密度差变大。因此，关于磁致伸缩元件1，通过在框架侧(固定端侧)配置接近地点A的磁致伸缩元件的第二端部1b，在振动板5侧(自由端侧)配置接近地点C的磁致伸缩元件的第一端部1a，能够有效地增大由FeGa合金或FeGx合金构成的磁致伸缩元件1整体的磁通密度的变化。这是因为，作为磁致伸缩式振动发电装置10的结构，存在固定端向磁致伸缩元件1施加的应力大于自由端向磁致伸缩元件1施加的应力这一前提。其结果是，能够进一步增大磁致伸缩式振动发电装置10的发电密度。在本公开中，无负荷时与应力施加时的磁通密度差是指，在无负荷时使用B-H曲线测定装置而测定出的磁通密度与将B-H曲线测定装置设置于拉伸压缩试验机并施加拉伸或压缩的应力而测定出的磁通密度之差。

振动板5与磁致伸缩元件1的安装方法(或者连接方法)没有特别限定。例如，举出使用螺钉、螺栓、螺母、焊料、粘合剂、蜡材料、双面胶等来固定的方法。优选的是，利用螺钉、螺栓、螺母等进行固定。

线圈6沿着磁致伸缩元件1延伸的长边方向、即从发电部的第二端部2b朝向发电部的第一端部2a的方向卷绕于磁致伸缩元件1。线圈6根据电磁感应定律，与在磁致伸缩元件1内通过的磁力线的时间变化成比例地产生电压。线圈6的材质没有特别限定。例如能够使用铜线等。产生电压能够由V＝N·dΦ/dt求出。这里，N是线圈6的匝数，Φ是磁通。因此，通过增加每单位时间的磁通的变化量或者增加线圈6的匝数，能够增大产生电压。每单位时间的磁通的变化量由发电元件的谐振频率等的其机械特性决定。因此，为了增大发电元件的发电电压，增加线圈6的匝数是更为容易的方法。

[实施例]

以下，通过实施例及比较例进一步对本发明详细进行说明，但本发明不局限于这些实施例。

(实施例1)

在实施例1中，制作沿着长边方向使Ga浓度变化的FeGa合金的板状的形状的磁致伸缩元件，进行应力无负荷时及施加压缩应力时的磁通密度的测定，针对该变化进行了确认。

<磁致伸缩元件的制作>

为了制作FeGa合金的实施例1-1中的磁致伸缩元件，首先，使用电子天平，对Fe(纯度99.999％)及Ga(纯度99.999％)分别进行了称量。通过EPMA分析，对合金试料中的各元素的含有率进行了测定及调整。

试料是使用高频感应加热型CZ炉而培养的。在内径

的石墨坩埚的内侧配置外径

的致密质氧化铝制坩埚，投入关于称量出的各个合金试料的Fe及Ga的原料400g。将投入原料后的坩埚向培养炉投入，在将炉内设为真空之后，导入氩气。之后，在炉内成为大气压的时刻，开始装置的加热，用12小时加热至成为熔液。使用切成<100>取向的FeGa单晶作为晶种，使晶种降下至熔液的附近。使晶种一边以5ppm旋转一边渐渐降下，使晶种的前端与熔液接触。为了在试料上形成Ga浓度的梯度，使坩埚朝与晶种相反的方向以10rpm旋转，使温度渐渐降下，之后，以提升速度1.0mm/hr的速度使晶种上升，进行了晶体成长。其结果是，得到直径10mm、直体部的长度80mm的具有Ga浓度的梯度的单晶合金。通过线放电加工，将得到的单晶合金切成测定用磁致伸缩元件板状的形状。该板状的形状被切成在截面尺寸中宽度为10mm及高度为1mm，长度(第一端部及第二端部之间的长边方向的长度)成为20mm。此时，切出为长边方向与FeGa合金的<100>取向平行。这样，得到图1所示的形状的、沿着长边方向使Ga浓度变化的实施例1-1的FeGa合金的磁致伸缩元件。

另一方面，为了制作比较例1-1的FeGa合金的磁致伸缩元件，首先，使用能够以均匀组成进行单晶培养的布里奇曼法，得到FeGa单晶合金。与实施例1-1同样地，通过线放电加工，将得到的单晶合金切成截面为10mm×1mm、长度(第一端部至第二端部的长边方向的长度)为20mm的板状的形状。此时，与实施例1-1同样地，切出为长边方向与FeGa合金的<100>取向平行。

<各磁致伸缩元件中的Ga浓度的测定>

实施例1-1及比较例1-1的磁致伸缩元件中的Ga浓度通过EPMA分析而进行了测定。详细而言，在图1所示的地点A、地点B及地点C处，对FeGa单晶合金中的Ga浓度进行了测定。

<各磁致伸缩元件的应力无负荷时及施加压缩应力时的磁通密度的测定>

在实施例1-1及比较例1-1的磁致伸缩元件中，对应力无负荷时及应力施加时(5MPa压缩时及15MPa压缩时)的8kA/m中的磁通密度进行了测定。具体而言，缩短B-H测定器的检测线圈的长度而实施了测定，以使得能够测定图1所示的地点A、地点B及地点C这三处位置附近的长度2mm左右的磁通密度。

在以下的表1中，示出实施例1-1及比较例1-1的各FeGa合金的磁致伸缩元件的地点A、地点B及地点C处的Ga浓度(at％)(剩余部分为Fe浓度(at％))、以及应力无负荷时及施加压缩应力时的磁通密度(T)的测定结果。

[表1]

如表1所示，在实施例1-1中，地点B的Ga浓度相比地点A减少了1.5at％，地点C的Ga浓度相比地点A减少了3at％。即，由于磁致伸缩元件的长度为20mm，因此，实施例1-1的磁致伸缩元件具有Ga浓度以0.15at％/mm单调减少的组成倾斜。另一方面，在比较例1-1中，在地点A、地点B及地点C中的任一处，Ga浓度都为18.4at％，成为均匀的组成。

实施例1-1的应力无负荷时的各地点处的磁通密度在地点A处成为1.6T，在地点B处成为1.2T，在地点C处成为0.8T，呈单调减少趋势。这被认为是由于实施例1-1的FeGa合金的磁致伸缩元件的Ga浓度从地点A朝向地点C减少而引起的，即认为Ga浓度与磁通密度具有相关性。施加压缩应力时也认为具有同样的相关性。在施加了5MPa的压缩应力时，磁通密度在地点A处成为1.5T，在地点B处成为1.0T，在地点C处成为0.5T，呈减少趋势。在施加了15MPa的压缩应力时，磁通密度也在地点A处成为0.8T，在地点B处成为0.7T，在地点C处成为0.6T，呈减少趋势。根据这些结果，也认为Ga浓度与磁通密度具有相关性。

在比较例1-1中，Ga浓度在地点A、地点B及地点C处成为18.4at％，是均匀的。在该情况下，在应力无负荷时及施加压缩应力时(5MPa压缩时及15MPa压缩时)的任一方，都分别成为1.6T、1.5T及0.6T，与地点无关地成为同样的值。根据该结果，也可以说Ga浓度与磁通密度具有相关性。

根据上述的实施例1-1及比较例1-1的结果，由FeGa合金的磁致伸缩材料构成的磁致伸缩元件的Ga浓度与磁通密度具有相关性，该磁致伸缩元件具有Ga浓度的组成倾斜，由此，能够确认出在应力无负荷时及施加压缩应力时这两方，磁通密度也同样地倾斜。此外，在实施例1-1及比较例1-1中的任一方，与应力无负荷时相比，在施加压缩应力时，磁通密度都变小。这被认为其原因在于，通过向由磁致伸缩材料构成的磁致伸缩元件施加压缩应力，磁致伸缩元件内部的磁畴壁变得难以移动。

(实施例2)

在实施例2中，制作在实施例1-1的FeGa合金的磁致伸缩元件中使Ga浓度变化为各种数值的磁致伸缩元件，进行应力无负荷时及施加压缩应力时的磁通密度的测定，关于其变化进行了确认。此外，为了评价制作出的各磁致伸缩元件的发电密度，在图3及图4所示的结构的磁致伸缩式振动发电装置上配备了各磁致伸缩元件，测定了发电密度。

测定用的磁致伸缩元件的形状与实施例1-1同样地形成为板状的形状。准备出通过EPMA分析而测定的地点A、地点B及地点C的Ga浓度成为以下的表2所示的值的磁致伸缩元件(剩余部分为Fe浓度(at％))。作为实施例2-1～实施例2-4，准备出使地点A、地点B及地点C的Ga浓度变化为各种数值的磁致伸缩元件。作为比较例2-1及比较例2-3，准备出Ga浓度不变化的磁致伸缩元件。作为比较例2-2，与实施例2-1同样地准备出使Ga浓度变化的磁致伸缩元件。各磁致伸缩元件的制作方法及切出方法(线放电加工)与上述实施例1-1是同样的。各磁致伸缩元件的应力无负荷时及施加压缩应力时的磁通密度的测定方法也与上述实施例1-1是同样的。

<具备各磁致伸缩元件的磁致伸缩式振动发电装置中的发电密度的评价>

在图3及图4所示的结构的磁致伸缩式振动发电装置中设置了制作出的各磁致伸缩元件。此时，实施例2-1～实施例2-4以及比较例2-1及比较例2-3设置为，磁致伸缩元件的地点C接近振动板侧(自由端侧)，并且磁致伸缩元件的地点A接近框架侧(固定端侧)。比较例2-2设置为其相反方向。将具备磁致伸缩元件的磁致伸缩式振动发电装置设置于加振器，测定出发电密度。具体而言，利用加振器施加了振动，使得加速度成为2G。利用示波器来检测此时的产生电压，算出谐振频率时的发电量，除以磁致伸缩式振动发电装置的尺寸，由此算出发电密度。

如上所述，在对轮胎空气压监视系统、工厂内传感器网络等应用磁致伸缩式振动发电装置的情况下，需要至少约1.0mW/cm³以上的消耗电力密度。因此，关于算出的发电密度，将1.0mW/cm³以上判定为○，将小于1.0mW/cm³判定为×。

在以下的表2中，示出实施例2-1～实施例2-4及比较例2-1～比较例2-3的各FeGa合金的磁致伸缩元件的地点A、地点B及地点C处的Ga浓度、应力无负荷时及施加压缩应力时的磁通密度、应力无负荷时与施加压缩应力时的磁通密度差、磁致伸缩式振动发电装置中的磁致伸缩元件的设置方向、以及发电密度的测定结果及判定结果。

[表2]

如表2所示，实施例2-1～实施例2-4的发电密度成为1.0mW/cm³以上，该判定全部为○。

在实施例2-1中，Ga浓度在地点A处成为19at％，在地点B处成为17.5at％，在地点C处成为16at％，呈单调减少趋势。应力无负荷时的磁通密度也在地点A处成为1.65T，在地点B处成为1.2T，在地点C处成为0.75T，呈减少趋势。施加压缩应力时(5MPa)的磁通密度也在地点A处成为1.6T，在地点B处成为1.1T，在地点C处成为0.4T，呈减少趋势。施加压缩应力时(15MPa)的磁通密度也在地点A处成为0.85T，在地点B处成为0.75T，在地点C处成为0.6T，呈减少趋势。根据该结果，可知与实施例1-1的结果同样地，Ga浓度与磁通密度具有相关性。另外，当着眼于实施例2-1的应力无负荷时与施加压缩应力时的磁通密度差时，在应力无负荷时与施加5MPa的压缩应力时的磁通密度差中，差最大的是在为0.35T的地点C，在应力无负荷时与施加15MPa的压缩应力时的磁通密度差中，差最大的是在为0.8T的地点A。

此外，在实施例2-1中，关于磁致伸缩式振动发电装置中的磁致伸缩元件，将应力无负荷时与施加15MPa的压缩应力时(即施加的应力较大时)的磁通密度差较大且Ga浓度较高的地点A设置到框架侧(固定端侧)，将应力无负荷时与施加5MPa的压缩应力时(即施加的应力较小时)的磁通密度差较大且Ga浓度较低的地点C设置到振动板侧(自由端侧)。因此，能够增大FeGa合金的磁致伸缩元件整体的磁通密度的变化，认为发电密度成为1.0mW/cm³以上。

在实施例2-2～实施例2-4中也发现了同样的趋势。在实施例2-2中，在应力无负荷时与施加5MPa的压缩应力时的磁通密度差中，差最大的是在为0.4T的地点C，在应力无负荷时与施加15MPa的压缩应力时的磁通密度差中，差最大的是在为0.8T的地点A。在实施例2-3中，在应力无负荷时与施加5MPa的压缩应力时的磁通密度差中，差最大的是在为0.3T的地点C，在应力无负荷时与施加15MPa的压缩应力时的磁通密度差中，差最大的是在为0.75T的地点A。在实施例2-4中，在应力无负荷时与施加5MPa的压缩应力时的磁通密度差中，差最大的是在为0.3T的地点C，在应力无负荷时与施加15MPa的压缩应力时的磁通密度差中，差最大的是在为0.55T的地点A。此外，与实施例2-1同样地，关于磁致伸缩式振动发电装置中的磁致伸缩元件，将应力无负荷时与施加15MPa的压缩应力时(即施加的应力较大时)的磁通密度差较大且Ga浓度较高的地点A设置到框架侧(固定端侧)，将应力无负荷时与施加5MPa的压缩应力时(即施加的应力较小时)的磁通密度差较大且Ga浓度较低的地点C设置到振动板侧(自由端侧)，因此，能够增大FeGa合金的磁致伸缩元件整体的磁通密度的变化，认为发电密度成为1.0mW/cm³以上。

如表2的比较例2-1及比较例2-3所示，在设置了Ga浓度均匀的磁致伸缩元件的情况下，发电密度小于1.0mW/cm³，成为×。这被认为是，通过在磁致伸缩式振动发电装置中的磁致伸缩元件的框架侧(固定端侧)与振动板侧(自由端侧)产生应力分布，从而在通过由磁致伸缩材料构成的磁致伸缩元件内的磁力线也产生分布，因此，磁致伸缩元件整体的磁通密度的变化变小，发电密度变小。在比较例2-2中，关于磁致伸缩式振动发电装置中的磁致伸缩元件，将应力无负荷时与施加15MPa的压缩应力时(即施加的应力较大时)的磁通密度差较大且Ga浓度较高的地点A设置到振动板侧(自由端侧)，将应力无负荷时与施加5MPa的压缩应力时(即施加的应力较小时)的磁通密度差较大且Ga浓度较低的地点C设置到框架侧(固定端侧)。因此，认为FeGa合金的磁致伸缩元件整体的磁通密度的变化变小，发电密度小于1.0mW/cm³。这被认为是，磁致伸缩式振动发电装置中的磁致伸缩元件整体的磁通密度变化变小，发电密度变小。

(实施例3)

在实施例3中，使实施例1-1的FeGa合金的Ga浓度变化为各种数值，并且添加微量的Sm、Cu或C，制作出磁致伸缩元件。此外，为了对制作出的各磁致伸缩元件的发电密度进行评价，通过与实施例2同样的方法，将磁致伸缩元件设置到磁致伸缩式振动发电装置，测定发电密度，确定出添加的有效性。

<具备各磁致伸缩元件的磁致伸缩式振动发电装置中的发电密度的评价>

测定用磁致伸缩元件的形状与实施例1-1同样地为板状的形状。准备出通过EPMA分析而测定的地点A、地点B及地点C的Ga浓度(at％)成为以下的表3-1～表3-2(地点A；19，地点B；17.5，地点C；16)及表4-1～表4-2(地点A；17，地点B；15.5，地点C；14)所示的值的磁致伸缩元件。向实施例3-1～实施例3-12中的各磁致伸缩元件添加的Sm、Cu及C中的任一种元素的种类及其添加浓度(at％)在以下的表3-1～表3-2及表4-1～表4-2中示出。关于比较例3-1～比较例3-14，也同样地添加了Sm、Cu及C中的任一种元素，但关于比较例3-1、比较例3-2、比较例3-4～比较例3-9及比较例3-11～比较例3-14，添加了与实施例不同的量。关于比较例3-3及比较例3-10，使磁致伸缩式振动发电装置中的磁致伸缩元件的设置方向与其他比较例相反。

各磁致伸缩元件的制作方法及切出方法(线放电加工)与上述实施例1-1是同样的，但Sm、Cu或C的追加的添加元素在最初的工序中，与Fe及Ga一同称量(任一种元素的纯度都为99.99％)，作为原料投入到坩埚中。Sm、Cu或C的含有率与Fe及Ga同样地，通过EPMA分析进行了测定及调整。需要说明的是，即便通过与上述实施例1-1同样的方法制作出各磁致伸缩元件，关于Sm、Cu或C，在各磁致伸缩元件中也不形成浓度的梯度。这被认为是因为，Ga的熔点与其他元素相比非常低，因此，Ga优先地发挥，并且仅添加了微量的Sm、Cu或C。各磁致伸缩元件的磁致伸缩式振动发电装置中的发电密度的测定及判定方法与上述的实施例2是同样的。

在以下的表3-1～表3-2及表4-1～表4-2中，分别示出实施例3-1～实施例3-6及比较例3-1～比较例3-7以及实施例3-7～实施例3-12及比较例3-8～比较例3-14的各磁致伸缩元件的地点A、地点B及地点C中的Ga浓度、添加元素的种类、其添加浓度、磁致伸缩式振动发电装置中的磁致伸缩元件的设置方向、发电密度的测定结果及判定结果。

[表3-1]

[表3-2]

[表4-1]

[表4-2]

如表3-1及表4-1所示，在添加了微量的Sm的实施例3-1、实施例3-2、实施例3-7及实施例3-8中，发电密度成为1.0mW/cm³以上，判定成为○。这被认为是因为，通过因原子半径比Fe或Ga大的Sm的添加引发的局部应变、以及由Sm所具有的4f电子的四极矩引起的晶体磁各向异性，饱和磁通密度提高，磁通密度变化变大。

另一方面，如表3-2及表4-2所示，在比较例3-1及比较例3-8中，当添加1.1at％的Sm时，发电密度分别成为0.8mW/cm³及0.5mW/cm³，判定成为×。这被认为是由于超出固溶极限而添加了Sm，因此第二相出现，由此磁畴壁变得难以移动，其结果是，磁通密度变化变小，发电密度变小。

如表3-2及表4-2所示，在比较例3-2及比较例3-9中，在添加了0.4at％的Sm的情况下，发电密度分别成为0.9mW/cm³及0.7mW/cm³，判定成为×。这是被认为是因为，Sm的添加量少，无法发现充分的饱和磁通密度的提高。

根据该结果，可以说为了使发电密度成为1.0mW/cm³以上，需要使Sm的添加浓度(at％)在0.5≤Sm≤1.0的范围内。

此外，如表3-2及表4-2所示，在添加了Sm的比较例3-3及比较例3-10中，在将框架侧设为Ga浓度较小的地点C且将振动板侧设为Ga浓度较大的地点A而设置了磁致伸缩元件的情况下，发电密度成为0.7mW/cm³及0.6mW/cm³，判定成为×。这被认为是，与实施例2的结果同样地，由于设置为应力无负荷时及施加压缩应力时的磁通密度差变小，因此，磁致伸缩元件整体的磁通密度变化变小，发电密度变小。

如表3-1及表4-1所示，在添加了微量的Cu的实施例3-3、实施例3-4、实施例3-9及实施例3-10中，发电密度成为1.0mW/cm³以上，判定成为○。这被认为是因为，通过添加Cu，能够增加合金的晶体磁各向异性能量。

另一方面，如表3-2及表4-2所示，在比较例3-4及比较例3-11中，当添加1.1at％的Cu时，发电密度分别成为0.5mW/cm³及0.4mW/cm³，判定成为×。这被认为是，迎来固溶极限，FeCu系的化合物析出，由此磁畴壁变得难以移动，其结果是，磁通密度变化变小，发电密度变小。

如表3-2及表4-2所示，在比较例3-5及比较例3-12中，在添加了0.4at％的Cu的情况下，发电密度分别成为0.7mW/cm³及0.6mW/cm³，判定成为×。这被认为是因为，Cu的添加量少，无法发现充分的饱和磁通密度的提高。

根据该结果，可以说为了使发电密度成为1.0mW/cm³以上，需要使Cu的添加浓度(at％)在0.5≤Cu≤1.0的范围内。

如表3-1及表4-1所示，在添加了微量的C的实施例3-5、实施例3-6、实施例3-11及实施例3-12中，发电密度成为1.0mW/cm³以上，判定成为○。这被认为是因为通过添加C，能够在Fe晶格内引发正方晶应变。

另一方面，如表3-2及表4-2所示，在比较例3-6及比较例3-13中，当添加了1.1at％的C时，发电密度分别成为0.9mW/cm³及0.5mW/cm³，判定成为×。这被认为是，当C含有率多于Ga含有率时，C无法侵入到Fe晶格内，因此，饱和磁通密度下降，其结果是，磁通密度变化变小，发电密度变小。

如表3-2及表4-2所示，在比较例3-7及比较例3-14中，在添加了0.4at％的C的情况下，发电密度分别成为0.8mW/cm³及0.4mW/cm³，判定成为×。这被认为是因为，C的添加量少，在充分的Fe晶格内无法引发正方晶应变。

根据该结果，可以说为了使发电密度成为1.0mW/cm³以上，需要使C的添加浓度(at％)在0.5≤C≤1.0的范围内。

根据以上的结果，制作出向FeGa合金添加了微量的Sm、Cu及C中的任一种元素而得到的磁致伸缩元件，在磁致伸缩式振动发电装置中测定出发电密度，此时，在式(1)：Fe_(100-α-β)Ga_αX_β(α及β分别为Ga含有率(at％)及X含有率(at％))中，在0.5≤β≤1.0的范围内，发电密度成为1.0mW/cm³以上，能够确认适当的有效性。

另外，由于Sm是稀土类，因此，设想在同样作为稀土类的Eu、Gd、Tb及Dy中也得到与上述同样的效果。

产业上的可利用性

本发明的磁致伸缩元件示出较大的磁致伸缩量，使用该磁致伸缩元件的磁致伸缩式振动发电装置示出更大的发电密度，因此能够应用于可成为更有效的IoT的实现的开端的磁致伸缩式传感器或磁致伸缩式致动器等。