本發(fā)明涉及用于振動發(fā)電的磁致伸縮構(gòu)件及其制造方法，所述振動發(fā)電作為壓縮機等產(chǎn)業(yè)機械的操作監(jiān)示器的電源或者照明、家電制品、汽車等的遙控開關(guān)等的電源等以往利用電池來供給電力而使其工作的裝置的電源。

作為超磁致伸縮材料，已知有日本特公平6-2635號公報、日本特表2002-531701號公報和日本特公平7-100839號公報等中所示的以tb-dy-fe為代表的稀土類過渡金屬磁致伸縮材料。這種磁致伸縮材料的磁致伸縮超過1000ppm，與作為磁性材料已知的permendur(fe50％-co50％合金)的磁致伸縮30ppm、磁致伸縮合金alfer(fe87％-al13％)的磁致伸縮70ppm相比，相差數(shù)量級之大。

但是，該超磁致伸縮材料以作為高價稀有金屬的稀土類過渡金屬為原料，因此磁致伸縮材料本身非常昂貴，并且，其組織為拉夫斯(laves)型金屬間化合物，因此非常脆，難以加工成所需要的形狀。因此，應用領(lǐng)域受限，使用該超磁致伸縮材料的器件等不太普及。

與此相對，正在對fe-ga類合金的應用進行研究，該fe-ga類合金雖然磁致伸縮不如tb-dy-fe類材料那樣大，但顯示出約100ppm～約300ppm的較大磁致伸縮，能夠進行機械加工。用于振動發(fā)電的材料所需要的磁致伸縮若為約100ppm～約300ppm則可以實用化，fe-ga類合金是合適的。

另外，對于tb-dy-fe類材料或fe-ga類合金等磁致伸縮材料而言，為了在晶體的特定取向上顯示出大的磁致伸縮，使需要磁致伸縮構(gòu)件的磁致伸縮的方向與晶體的磁致伸縮達到最大的取向一致的單晶構(gòu)件是最佳的。

單晶的制造有布里奇曼法、提起法、區(qū)熔法等，但這些單晶制造法被認為生產(chǎn)率極低，提出了粉末冶金法(日本專利第3452210號)的實施例、利用急冷凝固法的合金薄帶的制造例(日本專利第4053328號)、將利用液體急冷凝固法制造的薄片或粉末狀的原料加壓燒結(jié)而進行制造的方法(日本專利第4814085號)等。另外，還提出了日本特表2012-500333公報所示的將熱加工、冷加工組合來制造薄膜的方法。

這些各種制造方法的構(gòu)件內(nèi)均為多晶，使構(gòu)件內(nèi)的全部晶體取向與磁致伸縮達到最大的取向一致是不可能的，存在磁致伸縮特性比單晶的構(gòu)件更差的問題。在利用急冷凝固法的合金薄帶的制造方法或?qū)峒庸づc冷加工組合而制造薄膜的方法中，只能制造薄帶、薄膜，存在構(gòu)件的應用范圍受限的問題。

另外，在將利用粉末冶金法、液體急冷凝固法制造的薄片或粉末狀的原料加壓燒結(jié)而進行制造的方法中，需要霧化設備、急冷凝固設備和加壓燒結(jié)設備等特殊設備，成本上升，并且還存在如下問題：在粉末的處理過程中因異物或雜質(zhì)的混入而導致的特性劣化，以及需要用于防止所述劣化的特殊環(huán)境，這也是成本上升的因素。

現(xiàn)有技術(shù)文獻

專利文獻

專利文獻1：日本特公平6-2635號公報

專利文獻2：日本特表2002-531701號公報

專利文獻3：日本特公平7-100839號公報

專利文獻4：日本專利第3452210號公報

專利文獻5：日本專利第4053328號公報

專利文獻6：日本專利第4814085號公報

專利文獻7：日本特表2012-500333號公報

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明所要解決的問題

本發(fā)明是為了解決如上所述的現(xiàn)有問題而完成的，其目的在于提供雖然為了得到最高的磁致伸縮特性而使構(gòu)件為單晶但與以往的單晶制造方法相比更為廉價且用于振動發(fā)電的高性能、具有高可靠性、通用性高的磁致伸縮構(gòu)件，所述振動發(fā)電用作從各種振動中提取出電能的電源。

用于解決問題的手段

為了達到上述目的，本申請的第1項的發(fā)明為一種磁致伸縮構(gòu)件，其特征在于，通過從fe-ga合金的單晶以使上述合金的晶體的<100>取向與需要磁致伸縮元件的磁致伸縮的方向一致的方式利用電火花加工切出而形成。

另外，為了達到上述目的，本申請的第2項的發(fā)明為一種磁致伸縮構(gòu)件，其特征在于，上述fe-ga合金的ga比率以質(zhì)量％計為19.0％～23.0％，余量包含fe和不可避免的雜質(zhì)。

另外，為了達到上述目的，本申請的第3項的發(fā)明為一種磁致伸縮構(gòu)件，其特征在于，上述需要磁致伸縮元件的磁致伸縮的方向與上述fe-ga合金的晶體的<100>取向之間的傾斜度設定為10.0°以下，進而，本申請的第4項的發(fā)明為一種磁致伸縮構(gòu)件，其特征在于，對利用電火花加工切出而形成的上述磁致伸縮構(gòu)件的表面以不引入應變的方式進行研磨處理，由此去除電火花加工時的微小凹凸。

另外，為了達到上述目的，本申請的第5項的發(fā)明為一種磁致伸縮構(gòu)件的制造方法，其特征在于：將fe-ga合金在熔融溫度以上的爐內(nèi)保持一定時間后，以恒定的速度將熔融合金從爐內(nèi)向爐外拉出，使上述熔融合金進行單向凝固的工序；在上述凝固工序結(jié)束后，將凝固的鋼錠以長條狀切出的工序；將上述切出的長條狀材料在晶界處分離為各個單晶的工序；和從上述分離后的各個單晶以使晶體的<100>取向與需要磁致伸縮元件的磁致伸縮的方向一致的方式利用電火花加工切出，本申請的第6項的發(fā)明為一種磁致伸縮構(gòu)件的制造方法，其特征在于，將上述熔融合金從爐內(nèi)向爐外拉出的速度設定為20mm/小時以下。

發(fā)明效果

如此，本發(fā)明中僅由下述工序構(gòu)成：利用簡單且廉價的熔化-鑄造設備制造單向凝固鋼錠的工序；從所制造的單向凝固鋼錠以長條狀將材料切出并分離成各個單晶的工序；和從切出的單晶利用電火花加工以所需的尺寸、形狀將磁致伸縮構(gòu)件切出的工序，因此，可得到能夠非常廉價地制造、并且高性能、具有高可靠性、通用性高的磁致伸縮構(gòu)件。

附圖說明

[圖1]是用于將磁致伸縮合金熔化并使熔化的磁致伸縮合金單向凝固的本發(fā)明中使用的裝置，(i)是示出熔化過程的該裝置的縱截面圖，(ii)是示出單向凝固的過程的該裝置的縱截面圖。

[圖2]是利用本發(fā)明中使用的裝置(圖1的ii)進行了凝固的單向凝固鋼錠的正視照片(i)和該凝固鋼錠的正視圖(ii)。

[圖3]是用于將圖2的(ii)所示的單向凝固鋼錠在陰影部分以長條狀切出的說明圖。

[圖4]是從切出面?zhèn)葘σ蚤L條狀切出的部分進行觀察的正視圖。

[圖5]是在切出工序中分離成各個柱狀晶的單晶的正視圖。

具體實施方式

以下，利用附圖中示出的實施例更詳細地對本發(fā)明進行說明。圖1是用于將fe-ga合金熔化并使熔化的磁致伸縮合金單向凝固的裝置，圖中1為管狀爐。2為垂直配置在上述管狀爐1的中心部的爐心管，該爐心管2的外側(cè)以包圍該爐心管2的周圍的方式分別設置有含有電阻器的加熱器3和絕熱材料4。

5是配設在上述爐心管2內(nèi)的坩堝，載置于坩堝支撐臺6之上，該坩堝支撐臺6構(gòu)成為利用升降裝置7經(jīng)由坩堝支撐棒8在上下方向上升降。9為插穿上述爐心管2的內(nèi)外的熱電偶，10為真空排氣管，該真空排氣管10的一端側(cè)和另一端側(cè)分別與未圖示的真空泵以及與上述爐心管2連通，利用上述真空泵能夠使上述爐心管2內(nèi)形成真空狀態(tài)或基于各種氣體的氣氛狀態(tài)。

于是，在圖1所示的管狀爐1中，向設置于該爐心管2內(nèi)的坩堝5內(nèi)裝入磁致伸縮合金材料a，利用設置于上述管狀爐1內(nèi)的加熱器3將上述坩堝5內(nèi)的磁致伸縮合金材料a加熱至其熔融溫度以上，達到熔融狀態(tài)(參考圖1的i)。然后，將達到熔融狀態(tài)的上述磁致伸縮合金材料aa在使爐內(nèi)溫度保持恒定的上述管狀爐1內(nèi)保持一定時間。這種情況下，上述管狀爐1內(nèi)的溫度只要保持恒定即可，不需要特別復雜的溫度控制。

將達到熔融狀態(tài)的上述磁致伸縮合金材料aa在上述管狀爐1內(nèi)保持一定時間后，利用上述升降裝置7使上述坩堝支撐臺6下降，將載置于該坩堝支撐臺6之上的上述坩堝5和該坩堝5內(nèi)的達到熔融狀態(tài)的上述磁致伸縮合金材料aa緩慢地從管狀爐1內(nèi)向管狀爐1外拉出(參考圖1的ii)。

通過利用上述升降裝置7將上述磁致伸縮合金材料aa緩慢地從管狀爐1內(nèi)向管狀爐1外拉出，上述坩堝5內(nèi)的上述磁致伸縮合金材料aa從坩堝5的下部開始向上部進行單向凝固，在磁致伸縮達到最大的<100>取向的方向上發(fā)生晶體生長，得到在鋼錠的長度方向上具有<100>取向的柱狀晶。

另外，通過以足夠慢的速度將熔融狀態(tài)的上述磁致伸縮合金材料aa從爐內(nèi)向爐外拉出，上述磁致伸縮合金材料aa以非常慢的速度凝固，得到粗大的晶粒。為了得到足夠粗大的晶粒，材料的下降速度優(yōu)選設定為20mm/小時以下。需要說明的是，材料的下降速度優(yōu)選在操作中是恒定的。

本發(fā)明中，不需要單晶制造裝置那樣的爐內(nèi)溫度梯度的設置、根據(jù)晶體的生長來控制材料移動的高精度的位置控制機構(gòu)和控制設備、或在材料的凝固初期使控制晶體的生長取向的籽晶與熔液表面部接觸的操作、用于限制核生長的特殊形狀的坩堝的使用等以往這樣的用于制造單晶所需要的精細控制及用于該控制的機構(gòu)，可以采用機構(gòu)簡單且廉價的設備。

圖2是示出利用用于將本發(fā)明中使用的磁致伸縮合金熔化并使熔化的磁致伸縮合金單向凝固的圖1所示的裝置進行凝固得到的單向凝固鋼錠b的外觀的圖，圖2(i)是單向凝固鋼錠b的正視照片，圖2(ii)是為了對單向凝固鋼錠b進行說明而制作的正視圖。如圖2(i)、(ii)所示，上述單向凝固鋼錠b由多個大的柱狀晶(每個分別為單晶)形成。需要說明的是，在圖2(ii)中，在上述單向凝固鋼錠b的表面可見的線c為晶界。

接著，從上述單向凝固鋼錠b按照所需的大小以長條狀切出。例如，將圖3(其為圖2的ii的俯視圖)的由斜線劃出陰影的長條狀的部分d從上述單向凝固鋼錠b切出。圖4是從切出后的切斷面e側(cè)對以長條狀切出的部分d進行觀察的正視圖，在切出后的切斷面e可觀察到柱狀晶的邊界即晶界c。

該晶界c的結(jié)合力非常弱，例如圖5所示，有時在切出工序中分離成各個柱狀晶f。另外，即使在切出工序中仍是結(jié)合的，但利用非常小的力(例如用手彎曲、輕輕給予敲打等)就能夠簡單地分離成各個柱狀晶f。各個柱狀晶f分別為單晶，通過從該分離后的各個單晶f以使晶體的<100>取向與需要磁致伸縮元件的磁致伸縮的方向一致的方式利用電火花加工切出，得到本發(fā)明的磁致伸縮構(gòu)件。

如此，本發(fā)明中僅由下述工序構(gòu)成：利用簡單且廉價的熔化-鑄造設備制造單向凝固鋼錠b的工序；從所制造的單向凝固鋼錠b以長條狀部分d切出并分離成各個柱狀晶(單晶)f的工序；和從切出的單晶f利用電火花加工以所需的尺寸、形狀切出而形成磁致伸縮構(gòu)件的工序，因此，能夠得到非常廉價的、如后述實施例中描述那樣的高性能、具有高可靠性、通用性高的磁致伸縮構(gòu)件。

將作為現(xiàn)有材料1的目前唯一可獲得的在美國銷售的fe-ga合金、以及本發(fā)明的實施例1的fe-ga合金和比較例1的測定結(jié)果示于表1。表1示出了使用實施例1的磁致伸縮構(gòu)件以及現(xiàn)有材料1和比較例1的各材料制作發(fā)電器件并使各發(fā)電器件以共振頻率的正弦波進行振動時的器件的前端位移量、磁致伸縮元件的磁通密度變化db以及發(fā)電器件的峰電壓。需要說明的是，磁致伸縮元件的磁通密度變化db與發(fā)電器件的峰電壓的高度直接相關(guān)，磁通密度變化db越大的磁致伸縮元件，性能越好。

利用電火花加工以2×0.5×11mm的尺寸切出用于發(fā)電器件的磁致伸縮元件。現(xiàn)有材料1為柱狀晶的多晶，實施例1的磁致伸縮構(gòu)件和比較例1是從單晶切出的。表1中的晶體取向是磁致伸縮元件的長度方向與晶體的<100>取向的角度差。

實施例1的磁致伸縮構(gòu)件的ga含量為19.73％，低于現(xiàn)有材料1，但產(chǎn)生電壓幾乎相等，磁通密度變化db相對于前端位移量的比例大于現(xiàn)有材料1。因此，根據(jù)實施例1，可得到能夠大幅減少昂貴且稀有的價格高的ga含量的顯著效果。需要說明的是，根據(jù)本發(fā)明人的研究，

ga含量在上限為最高約23.0％的范圍內(nèi)可得到良好的特性。由于ga價格昂貴，因此在此以上的含量是不利的。

比較例1是ga含量為19.73％、但從單晶切出時相對于晶體的<100>取向使磁致伸縮元件的長度方向傾斜12°而制作的磁致伸縮構(gòu)件。工業(yè)上制造磁致伸縮元件時，以磁致伸縮元件的長度方向相對于晶體的<100>取向具有角度誤差的方式切出的情況不在少數(shù)，但可知如比較例1那樣產(chǎn)生12°的角度差時，磁致伸縮元件的特性大大降低。該角度依賴性并非迄今已被報道過的示例，而是通過本發(fā)明人的研究初次得以明確的。

[表1]

接著，將實施例2示于表2。磁通密度變化db相對于前端位移量的比例與前面的實施例1不同，這是因為，發(fā)電器件的對磁致伸縮元件施加偏置磁場的永磁鐵的差異等工作條件不同。實施例2的磁致伸縮構(gòu)件的ga含量與現(xiàn)有材料2基本相等。磁致伸縮元件的長度方向相對于晶體的<100>取向傾斜了4°，但得到了遠遠大于現(xiàn)有材料2的磁通密度變化db。

[表2]

比較例2是ga含量與實施例2的磁致伸縮構(gòu)件和現(xiàn)有材料2基本相同、但磁致伸縮元件的長度方向相對于晶體的<100>取向傾斜了12°的磁致伸縮構(gòu)件。即使ga含量為與現(xiàn)有材料相同的含量，當磁致伸縮元件的長度方向相對于晶體的<100>取向產(chǎn)生12°的角度差時，磁致伸縮元件的特性大大降低。

比較例3是ga含量與實施例2的磁致伸縮構(gòu)件相同且磁致伸縮元件的長度方向相對于晶體的<100>取向成4°、但從單晶的切出方法利用在許多構(gòu)件加工中極為普遍地進行的機械加工制作而成的磁致伸縮構(gòu)件。比較例3的磁通密度變化db比實施例2的磁致伸縮構(gòu)件更低，磁致伸縮元件的特性降低至與現(xiàn)有材料2相當?shù)拇磐芏茸兓痙b的程度。

這是因為，即便使磁致伸縮元件的長度方向與晶體的<100>取向一致，但由于fe-ga合金為軟質(zhì)，因此在機械加工時表面受到加工應變而從表面起至約0.05mm的深度為止產(chǎn)生晶體取向的無序，該取向的無序使磁致伸縮元件的特性降低。這種由機械加工所致的表面應變的影響并非迄今已被報道過的示例，而是通過本發(fā)明人的研究初次得以明確的。

需要說明的是，在通過以不向構(gòu)件中引入應變的方式對利用電火花加工切出的磁致伸縮構(gòu)件的表面進行細致小心的研磨處理來順利地去除電火花加工的微小凹凸的情況下，不會產(chǎn)生表面的晶體取向的無序，因此不會使磁致伸縮元件的特性降低，可得到與表2的實施例2的磁致伸縮構(gòu)件相同的磁通密度變化db。

標號說明

1管狀爐

2爐心管

3加熱器

4絕熱材料

5坩堝

6坩堝支撐臺

7升降裝置

8坩堝支撐棒

9熱電偶

10真空排氣管

a磁致伸縮合金材料

aa熔融狀態(tài)的磁致伸縮合金材料

b單向凝固鋼錠

c晶界

d長條狀構(gòu)件