日本金属学会会報

2020年 1 月 1 日発行（ 毎月 1 回 1 日発行）

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金属素描

Vol.59 No.1 ISSN 1340-2625〜ナトリウム〜

特集「磁歪・逆磁歪材料の基礎と振動発電への応用」■■

科学・技術と社会の関係を考える̶1．科学・技術から科学技術へ̶

講義ノート 焼結の基礎̶理論的背景から実際まで̶

Ⅳ．通電支援焼結の展開

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■

59

新技術・新製品

新企画 思い出の教科書，この１冊！

MTERE2 59（1）1〜66（2020）

https://jim.or.jp/

2020

https://www.jim.or.jp/journal/m/（←まてりあ記事オンライン）

https://www.jim.or.jp/journal/m/

2020
Vol.59No.1

巻頭言

年頭のご挨拶

紹

公益社団法人日本金属学会の組織と活動概況 ………………………………………………… 2

介

No. 7

金属素描

乾

晴行 ………………………………………………………………………………… 1

ナトリウム(Sodium)森戸春彦 ………………………………………………………… 3

特集「磁歪・逆磁歪材料の基礎と振動発電への応用」
企画にあたって

春本高志

藤枝

俊

細川裕之

三井好古

梅津理恵………………………… 5

FeGa 合金を利用した振動発電技術とその電池フリー IoT への応用展開
上野敏幸 …………………………………………………………………………………………………… 6

振動発電用の FeGa 合金単結晶の逆磁歪効果
藤枝

俊

枦 修一郎

川又

透

志村玲子

石山和志

福田承生

鈴木

FeCo 系磁歪合金を用いた複合材料の振動・衝撃発電特性
Ni2MnGa 系強磁性ホイスラー合金の磁歪特性
左近拓男

山R優志

安達義也

野尻浩之

鹿又

科学・技術と社会の関係を考える
柴田

講義ノート

―1.

成田史生 ………………16

武 ………………………………………………21

FeGa 多結晶薄膜の磁歪と磁化ダイナミクスに関する研究
プロムナード茂 ……………………10

遠藤

恭 ………………26

科学・技術から科学技術へ―

清 ……………………………………………………………………………………………………32

焼結の基礎―理論的背景から実際まで―.

通電支援焼結の展開

吉田英弘 ……37

焼結緻密化の理論的な背景から実際の事例まで，最近のトピックを交えながら概説．

新技術・新製品

薄ゲージ化と製缶時の加工自由度に貢献する高強度・高加工性缶用鋼板『JATT』の開発 齋藤勇人 假屋房亮 鈴木善継 川合 稔 中村紀彦 杉田一久
石井健太郎

大谷大介

神宮貴文

中田有紀 ………………………………………………44

ニッケル水素化物電池の出力特性改良技術開発
平光規行

林

宏明

金原雅彦

澤

春夫

中西治通

企画にあたって連載 「思い出の教科書，この一冊｣

思い出の教科書，この一冊

金属組織学序論

はばたく結晶塑性解析と出会って学会・研究会だより

第16回界面粒界国際会議(iib2019)会議報告

本会記事

高橋泰博

山口匡訓

小島由継 ………47

編集チーム …………………………………………50

山本剛久………………………………………………………………………………51
奥山彫夢 …………………………………………………………………52
中村篤智馮斌 ………………………53

会告 ………………………………………………54

次号予告 …………………………………………63

掲示板 ……………………………………………60

新入会員 …………………………………………63

金属学会シンポジウム開催報告 ………………61

行事カレンダー …………………………………64

会誌・欧文誌 1 号目次 …………………………62
まてりあ・会誌・欧文誌の投稿規定・投稿の手引・執筆要領，入会申込書，刊行案内はホームページをご参照下さい．
https://jim.or.jp/
今月の表紙写真Fe
Ga 合金を利用した振動発電デバイスの写真(左から小，中，大)．(上野敏幸

7頁

図 3 より改変)

表紙デザイン北野玲

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本会は，本誌掲載著作物の複写に関する権利を一般社団法人学術著作権協会に委託しております．本誌に掲載された著作物の複写をご希望の方は，(一社)学術著作権協会より許諾を受けて下さい．但し，企業等法人による社内利用目的の複写については，
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6
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O1

年 頭 の ご 挨 拶
公益社団法人 日本金属学会 会長

乾

晴

行

新年，明けましておめでとうございます．皆様にはご健勝で新年をお迎えのこととお慶び申し上げます．
昨年は，2 月の北海道胆振中東部を震源とする地震，8 月の九州北部豪雨， 9 月の台風 15号， 10月の台風 19号など様々な自然災害が日本を襲いました．被災者の方々には心よりお見舞い申し上げます．私も 10月に大韓金属・材料学会への表敬訪問の帰途，豪雨・洪水の発生により成田空港で長時間の足止めに遭遇いたしました．このように近年多発する激甚な自然災害は，人類の活動に起因した激しい気候変動によると多くの研究者が述べており，社会基盤に対する防災，エネルギー・環境問題の解決に材料科学・工学の立場から積極的に寄与できる学会活動を企画・推進することの大切さを痛感しています．一方で，昨年は，元号が令和となり，10月には海外から多くの賓客を招いて即位礼正殿の儀も執り行われ，祝賀ムードに包まれました．ラグビー・ワールドカップでサクラの戦士の大活躍には日本中が沸き立ち，まさに新たな時代の到来を予感させます．本年は，日本金属学会にとってもそのような活気に満ちた明るい年にできればと考えています．
これらを踏まえ本年も公益社団法人として，引き続き公益目的事業を公正かつ適切に推進して参ります．昨年から新たに開始した取り組みを事業毎に簡単に列挙すると，日本金属学会誌および Materials Transactions 誌の完全電子ジャーナル化，Materials Transactions 誌のフリーダウンロード論文導入(刊行事業)，講演大会一般講
演のセッション改編，公募シンポジウム及び企画シンポジウムの企画促進(講演会・講習会事業)，9 分科への分
科改編や研究助成「金属学会フロンティア研究助成」の新設(調査・研究事業)などです．特に，表彰・奨励事業
では，各種賞の重み，権威を高め，かつ，学会の将来を担う若手研究者を奨励できるよう各種表彰内容，選考方
法等の見直しを行っています．また，庶務事業では，産業界も含めて，積極的で優秀な人材を広く募るために代議員及び理事等の役員の選出方法の見直しを行っています．会員数減少抑止に対しても引き続き積極策を推進して参ります．
学会の活性化には，多数の会員で取り組める魅力ある研究テーマや潤沢な研究資金が多くの会員に行き渡ることが大変重要と考えます．幸いなことに，現在，本会会員を研究代表者及び主たる研究分担者とした科学研究費
新学術領域研究が 4 領域，新規な科学技術振興機構 CREST 研究が 4 プロジェクト，すべて同時に実施・進行
されています．学会の活性化に必要な魅力ある研究テーマや研究資金の流布が達成されており，本学会の過去を振り返っても，このように学術活動が充実している学会は，数少ないと思います．各研究領域及び領域を支える個々の研究者の皆様の日々のご研鑽に心より敬意を表します．この状況は，1961年 1 月に行われたジョン・F・
ケネディー大統領のあの有名な就任演説の一節を私に思い起こさせます．「…ask not what your country can dofor you, ask what you can do for your country.」．あまりに有名な一句で「自己の利益を考えずに，いかなる寄与を国にできるかを考えて欲しい」との意味ばかり強調されますが，就任演説全体を通しては「このような個々の努力・研鑽が，人類の共通の敵に立ち向い自由を大切にする理想の国家の建設を可能にする」と問うています．
学会はこれまで以上に個々の会員の皆様の研究活動がスムースに行えるよう会員サービスを充実させて参ります．同時に，個々の会員の皆様の日々の研究活動の積み重ねが，活発で充実した理想の学会を作り上げるものと思います．本年も，活発で明るい学会となるよう皆様方の積極的な研究・学会活動をお願い申し上げる次第です．
最後になりましたが，会員の皆様のご健勝とご発展を祈念しまして年頭のご挨拶とさせて頂きます．
2020年 1 月 1 日

ま て り あ 第59巻 第 1 号(2020)
Materia Japan

公益社団法人日本金属学会の組織と活動概況
公益社団法人日本金属学会は，『金属に関する理論ならびに工業で開催しています．

の進歩発達をはかること』を目的とした学術団体として 1937 年 2調査・研究事業 では，重要な運営に関する「企画委員会」，

月 14 日に創設され， 2013 年 3 月 1 日に公益社団法人に移行しまし「セルフガバナンス委員会」，「長期展望委員会」が設置されていまた．会員数は 2019 年 2 月末時点で国内外合わせて 4,929 名， 157 団

す．また，関連が深い専門分野の研究者や技術者が集う分科を体で，金属及びその関連材料に関する研究成果を世界に発信する学

2019年に再編し，9 分科で「調査研究委員会」の活動を開始しまし会として活動を展開しています．近年は，対象分野も拡大し，金属た．先端領域や学際的領域の研究を促進する目的で「研究会」が活及びその関連材料分野の学術および科学技術の振興を目的として，動しています．また， 2019 年には「フロンティア研究助成」事業

組織図に示すように，最高議決機関である「社員総会」，業務執行を開始しました．さらに，「戦略推進委員会」や「科研費委員会」

決定機関の「理事会」，業務監査機関の「監事」の下で，「委員会」，

では，金属及び関連材料分野の振興に向けた材料戦略活動を行なっ「支部」，「事務局」により，学術誌や学術図書の刊行，講演会や講ています．「人材育成委員会」では，次世代を担う人材育成を目的

習会の開催，調査・研究，表彰・奨励の事業を行っています．

として「高校生向けホームページ」等の活動を行なっています．

刊行事業 では，会員の情報交換や啓発・教育を目的として，「男女共同参画委員会」では，女性の社会進出を支援するために，

会報「まてりあ」を毎月刊行し，会員に配布しています． 2019 年

男女共同参画学協会連絡会との連携や鉄鋼協会合同男女共同参画委

は「金属素描」や「金属なんでもランキング」等の新企画記事の掲

員会活動を実施しています．また，「国際学術交流委員会」では，

載を始めました．また，和文の学術論文誌「日本金属学会誌」およWorld Materials Day Award の授賞をはじめ，米国 TMS との講演

び ， 材 料 系 14 学 協 会 と 共 同 刊 行 し て い る 英 文 の 学 術 論 文 誌

大会へ研究者の相互派遣，韓国 KIM との共同シンポジウム開催等「Materials Transactions」を毎月刊行して，研究成果を国内外に広を実施しています．

く発信しています．日本金属学会誌では年間約 70 編の論文が，表彰・奨励事業 では，「名誉員」や「学会賞」を始めとして，

Materials Transactions で は 年 間 約 310 編 の 論 文 を 掲 載 し て い ま

優れた研究や技術開発の成果を上げた者や当該分野の発展に寄与しす．さらに，金属及び関連材料に関する専門書や教科書類等の「学た者の表彰や今後の貢献が期待される者の奨励を目的とした「各種術図書類」を刊行しています．

賞」で，毎年 20 件の表彰・奨励を行っています． 2019 年は各種賞

講演会・講習会事業 では，最新の研究成果を発表・討議するの重み，権威を高め，かつ学会の将来を担う若手研究者を奨励できとともに，会員間の交流を図ることを目的として，春秋 2 回のるよう各種表彰内容，選考方法等の見直しを行い，来年から実施す「講演大会」を開催しています．2019年に討論の活発化を目的としる予定です．

てセッションの改編を行いました．講演大会は約900件の講演があ全国の支部 も活発に活動しており，各支部で独自に講演

り，約 1500 名が参加しています．会場では「機器展示」や「ラン会・講習会(講演大会，本多光太郎記念講演会，セミナー，談話

チョンセミナー」も実施しています．さらに，次世代の若人に材料会)，研究会，見学会などを実施しています．

に関する関心を高めてもらうために「高校生・高専生ポスター発表」

日本金属学会は 21 世紀の日本を背負って立つ研究者や技術者のを実施しています．春期講演大会では，卓越した業績を挙げた者に入会を大いに歓迎いたします．会報「まてりあ」は，会員のみに提よる「本多記念講演」や，学生の進路選択と企業の採用を支援する

供されます．さらに，会員には，講演大会への会員参加費での参加ことを目的とした「企業説明会」を開催しています．また，専門知及び登壇費の免除，刊行物の会員価格での購入，本会主催のセミナ識の普及や啓発，教育を目的として「セミナー・シンポジウム」やー・シンポジウム・講演発表会等への会員割引価格の参加等の特典

講習会を開催しています．国際会議もこれまでに 25 件を本会主催があります．



紹介No. 7ナトリウム(Sodium)
東北大学

森

戸

春

彦

元素名 Sodium，原子番号 11 ，質量数 22.99 ，電子配置［ Ne ］ 3s1 ，密度 0.966 Mg ・ m－3(293 K )，結晶構造bNa 体心立方(室温～融点)，融点371 K，沸点1156 K，地殻存在量2.3 mass．【写真】(a)購入時の金
属ナトリウム，(b)炭酸ナトリウム皮膜を除去後の金属ナトリウム(日本曹達株式会社，純度99.95)ナトリウムはアルカリ金属の一つで，ナイフで切れるほど柔らかい金属である．金属単体は銀白色の金属光沢を有しているが，空気中ではすぐに酸化されて光沢を失い，時間がた
つと表面が炭酸ナトリウムの皮膜に覆われる．そのため，金属片を保管する際には，表面に流動パラフィンを塗布した
り，灯油に入れておくことが一般的である．著者の研究室では，写真のように表面の皮膜をナイフで削ぎ落とした後に，
アルゴンガス雰囲気中で保管している．
ナトリウムといえば水と激しく反応して爆発するイメージがあると思うが，この爆発は金属と水の反応によって生じた水素が反応熱によって発火するものだと長らく考えられていた．しかし，チェコの研究チームが，この爆発はナトリウム
原子が水と接触することで電子を失い，残った陽イオン同士が強いクーロン力によって互いに反発することで誘発されることを明らかにした(1)．
ナトリウムは水と激しく反応するため取り扱いには十分な注意が必要であるが，工業的に取り扱う技術は古くから確立されており，様々な分野で応用されている．金属ナトリウムの主な用途は，医農薬中間体や Na アルコラート，染料・香料の原料である．特に塩素や酸素の混入を避けるために塩化ナトリウム( NaCl )や水酸化ナトリウム( NaOH )が原料として使用できない場合に，金属ナトリウム単体を原料に用いることが多い．金属ナトリウムの特徴を上手く活かした応用例
として，高速増殖炉や自動車用エンジンの排気バルブなどの中高温域の冷却媒体が挙げられる．金属ナトリウムは，水の100倍も高い熱伝導率を示し，比較的広い温度範囲で液相状態であることから，中高温域の排熱媒体として用いられる．
また，融液が水に近い密度をもち，ステンレス鋼とも反応しないことから，循環用の動力ポンプや配管設備も水と同等のものが使用できることも特徴の一つである．燃焼温度の高い
自動車用ターボエンジンではバルブ軸を中空にし，その中に排熱能力の高い金属ナトリウムを封入することで，熱排出効率を向上させている．効率的に熱を排出することで高価な耐

ま て り あ 第59巻 第 1 号(2020)
Materia Japan

熱材料の使用を抑えることができ，ナトリウムの密度が小さいことからエンジンの軽量化にもなり，結果としてエネルギ
ーコストの低い技術につながっている．その他にも，日本ガイシ株式会社の NAS 電池は，電極に溶融状態のナトリウム( Na )と硫黄( S)を，電解質に b アルミナを用いた二次電池
で，大規模な電力貯蔵用として風力発電や太陽光発電と組み合わせて使用されている(2)．また，かつて電気機器の絶縁油として広く普及していた有害物質のポリ塩化ビフェニル( PCB )の無害化処理にも金属ナトリウムが活用されている．近年では，結晶育成の際のフラックス(溶剤)としての活路も見出しつつある．ナトリウムをフラックスに用いることで，高品質な窒化ガリウムの単結晶基板が製造されている(3)．
金属ナトリウムは，ダウンズ法と呼ばれる NaCl の電気分解により製造されている．実際の製造では NaCl の溶融温度を下げるために塩化カルシウム(CaCl2)を混合している．副産物として塩素ガスが回収されるため，塩素ガスの有効活用を考慮した生産体制になっている．日本曹達株式会社二本木
工場が，日本国内で唯一工業的規模の金属ナトリウム製造を行っていたが，現在は操業を停止し，フランスにある日本曹達関連会社に製造の拠点を移している．
ナトリウムは，原料の塩が海水から採れ，地殻中にも豊富に存在する．工業的な製造方法も確立されているので，安価で大量供給が可能な元素の一つである．元素戦略的な研究開発が所望されている中で，新たな工業的用途が生まれることを期待している．

文献( 1 ) P. E. Mason: Nature Chem., 7(2015), 250.
( 2 ) 日本ガイシ株式会社 HP(https://www.ngk.co.jp/product/nas/index.html)( 3 ) Y. Mori et al.: ECS J. Solid State Sci. & Tech., 2(2013), N3068.
取材協力日本曹達株式会社(http://www.nipponsoda.co.jp/)

次号

金属なんでもランキング No. 7

デバイ温度


O

2

O

3

企画にあたって
春本高志1

藤枝

俊2

細川裕之3

三井好古4

梅津理恵5

近年，IoT(Internet of Things)時代の到来に伴い，あらゆ
るモノやセンサーがネットワークに接続されつつあるが，こすることが重要であり，逆磁歪材料をあらかじめ磁化しておうしたモノやセンサーの電源確保が重要な課題である．そう成田史生教授(東北大学)には，磁歪材料と別材料と組み合わした中，充電の必要が無く，持続的(永続的)に発電し得る環せた複合材料における振動発電について「 Fe Co 系磁歪合境発電・エナジーハーベスティングが注目されている．特金を用いた複合材料の振動・衝撃発電特性」と題してご紹介に，振動や衝撃など日常のありふれた機械エネルギーから電頂いた．ファイバー複合材料化することにより，靴(パンプ

気エネルギーを得る「振動発電」は，センサーなどに対するス)への埋め込みが可能になるなど，振動発電は様々な形態

電源として最も現実的であり，盛んに研究開発が行われていで実施可能であるとのことである．また，クラッド鋼型振動る．従来，こうした振動発電は，セラミックス・有機物の圧発電と従来の圧電発電との比較についてもふれて頂いた．最電効果によるものが主であった．しかし，セラミックス・有機物ゆえの諸問題が存在し，実用化には課題が多く残るのが後の 2 件の記事では，新規磁歪・逆磁歪材料の研究開発状
況についてご紹介頂いた．左近拓男教授(龍谷大学)には，現状である．一方，近年注目されている金属強磁性体の逆磁「Ni2MnGa 系強磁性ホイスラー合金の磁歪特性」と題して，

歪効果(ビラリ効果)を利用した振動発電は，発電効率が良い

ホイスラー合金における磁歪について，温度変化に伴う結晶だけでなく，その機械的強度が高く，また，多種多様な形態

構造・各種磁気特性変化などと併せてご紹介頂いた．ホイス

にて実施できるので，様々な用途への展開が期待されていラー合金では，価電子濃度が磁歪に大きく影響するとのことる．大きな磁歪を有する合金としては， Terfenol D ( Tb である．遠藤恭准教授(東北大学)には，「FeGa 多結晶薄膜

Dy Fe )や Galfenol ( Fe Ga ) , Fe Co などが広く知られており，現在も物質探索が続けられている．そこで，本特集での磁歪と磁化ダイナミクスに関する研究」として，様々な組は，「磁歪・逆磁歪材料の基礎と振動発電への応用」と題し

気特性や高周波用途を見据えた磁化ダイナミクスもついてごて，これら磁歪・逆磁歪材料の基本的な特性に関する研究，紹介頂いた．大きな磁歪を得るには，バルク同様に，薄膜の及び，それらを用いた振動発電素子の設計と発電特性，更に結晶方位(配向性)制御が必要不可欠であるとご解説頂いた．

は，新規磁歪・逆磁歪材料の研究開発状況などについて各分

本特集では，IoT 時代における金属の新しい展開として，野の専門家から，最新の研究成果を踏まえてご解説頂いた．

「振動発電」を中心に，基礎となる磁歪・逆磁歪現象，また，はじめに，上野敏幸准教授(金沢大学)には，「FeGa 合金

その材料の研究開発状況など，最新の内容を集めた．本会会を利用した振動発電技術とその電池フリー IoT への応用展

員皆様のご参考・契機となれば幸いである．最後に，本特集開」と題して，逆磁歪効果による振動発電技術の概要とそのを企画するにあたり，ご多忙にもかかわらず執筆をご快諾下展開について，ご考案の U 字フレームベース振動発電素子

さいました著者の先生方に対して，この場をお借りして深くの構造とその発電機構をご解説頂くと共に，今現在どの程度御礼申し上げます．

くと良いなど，振動発電に用いる際の指針をご解説頂いた．

成の FeGa 薄膜における磁歪について，また，関連する磁の発電が可能であるのか，また，将来のスケールアップ見込に関してもご紹介頂いた．次に，藤枝俊准教授(大阪大学)には，こうした振動発電にはどのような逆磁歪材料が適するのかという問いに対し，「振動発電用の Fe Ga 合金単結晶の逆磁歪効果」と題して， Fe Ga 単結晶における詳細な研究をご紹介頂いた．振動発電の高効率化には，磁区構造を制御

春本高志

藤枝

俊

細川裕之

三井好古

梅津理恵

東京工業大学物質理工学院助教(〒1528552 目黒区大岡山 2121) 2 大阪大学大学院工学研究科准教授
産業技術総合研究所材料・化学領域研究チーム長 4 鹿児島大学大学院理工学研究科准教授
5 東北大学金属材料研究所准教授
Preface to Special Issue on ``Magnetostrictive Alloys and Their Application to Energy Harvesting''; Takashi Harumoto1, Shun Fujieda2,
Hiroyuki Hosokawa3, Yoshifuru Mitsui4 and Rie Umetsu5
Keywords: magnetostriction, Villari effect, energy harvesting, Galfenol
2019年12月 2 日受理[doi:10.2320/materia.59.5]
1
3

ま て り あ 第59巻 第 1 号(2020)
Materia Japan

FeGa 合金を利用した振動発電技術とその電池フリー IoT への応用展開
上

野

敏

幸

フレームをベースに，その上面の一部に板状の FeGa 合金

.

は じ

め

に

(長手方向に磁化容易軸)を貼り付けユニモルフ(積層部)を構成し，これにコイルを巻き，内側に永久磁石を配置したもの

磁歪振動発電は磁気を介した発電技術である．磁気を介しである．発電の原理を図 1 下に示す． Fe Ga 合金は永久磁

たエネルギー変換が実用的であることは，我々の使う電力の石により適度に磁気バイアスされた状態にあり，フレーム下

大半が発電機(回転機)でつくられることから類推できる．発面の片端を振動する物体，例えば機械などに固定し，他端に電機はタービンの大きな回転エネルギーを，磁気を介し電気錘を取り付け振動させる．この時，錘に作用する慣性力でフエネルギーに変換する．筆者が開発する振動発電も同様，磁レーム開口部が開閉するようデバイスは変形し，合金には長歪材料の応力で磁化が変化する逆磁歪効果を巧みに利用し，手方向に引張りと圧縮の力が交互に作用する．同時に逆磁歪

身の回りにある振動や動きを高効率で電力に変換する．その効果で磁束が増減し，この磁束は図 1 下のループを流れ，汎用性は極めて高く，機械振動から人・モノの動き，衝撃，

この時間変化に比例した起電力がコイルに発生する．新規性

波，流れまで多くがその適用対象になる．このエネルギー変は U 字の「磁性体」と磁歪材料の積層，また磁歪材料を適換の基になる Fe Ga 合金(1)は鉄系の磁歪材料で，延性で加度に磁化させながら，フレームの積層部(直下)の部分は磁気工性がよく，大きな逆磁歪効果を有する．開発する振動発電

飽和させ，それ以外は磁気飽和させない構造にある．その関デバイスはこの合金の優れた特徴を反映し，シンプルで堅係を図の B H 曲線で説明する．図中の矢印はデバイスが牢，高出力，高感度など数多くの実用的な特徴を備える．圧変形したときの Fe Ga 合金内の磁束密度で，積層構造によ電材料やエレクトレット(永久電荷)方式などの従来の振動発り合金内の応力は引張りもしくは圧縮でほぼ一様，つまり合電を凌駕し，電池を代替する．IoT(モノのインターネット)

金全体に大きな磁束変化が発生し，これがフレーム(磁気飽の課題は，無線通信モジュールの電源，つまり電池で，振動和でない部分)をヨークとした磁気回路を環流する．一方，発電で，この電池の交換や寿命管理の課題が解決されること
で，IoT の普及に貢献する．またデバイスを大きくすることで，キロワットオーダの電力を生成することも可能で，電力回生や波力，潮流発電といった再生可能エネルギーの分野へも展開できる．この技術の実用化を見据え，材料からデバイ
ス，応用まで数多くの企業が商品開発に着手した．本稿では，この磁歪振動発電と構造と原理，特徴，出力特性を述
べ，磁歪式で実現する電池フリー IoT，また大型化の展望について解説する．

.

デバイスの構造と動作原理，特徴図上が発電デバイスの構造である(2)(3) ．磁性体の U 字

図1

発電デバイスの構造(上)と発電原理(下)．

金沢大学理工研究域電子情報通信学系准教授(〒9201192 金沢市角間町)
Magnetostrictive Vibrational Power Generator and Its Application for Batteryfree IoT; Toshiyuki Ueno (Kanazawa University,
Kanazawa)
Keywords: vibrational power generator, magnetostrictive material, inverse magnetostrictive eŠect, IoT
2019年 8 月20日受理[doi:10.2320/materia.59.6]



特

集

図2

図3

デバイスの写真(左から小，中，大)．

図4

振動周波数 28.5 Hz の場合の発生電圧．

デバイス構成要素の BH 曲線と動作挙動．

合金直下のフレーム部分は合金と同じ磁界でほぼ磁気飽和(非磁性体と見なせる)の状態にある．結果，合金に発生した磁束変化がそのままコイルの鎖交磁束起電力に利用できる．
なお従来の磁歪材料を用いた屈曲型の振動発電の大半は，磁歪材料と非磁性体との積層で，材料に発生する応力は一様になるが，磁気バイアスや磁束の変化を上手に電力として取り出す磁気回路を構成していない．また本構造では自由端(可動部)と固定端が近い位置にあるため固定端に曲げモーメン
トが生じにくく，固定端に起因する損失も小さい．よって振動減衰が小さく感度も高い．また劣化の原因となる摺動部がなく，合金とフレームの剥離，金属疲労や引張強度以上の応力が発生しない限りデバイスは壊れない．シンプルで組み上げも容易，安価で構成できるのも大きな特徴である．

.

デバイスの特性

本デバイスは様々なサイズや形状の作製が可能である．その特性の概要を図の写真左の小型のサイズ(質量 4 g ，体
積 0.5 cm3)で説明する．これは FeGa 合金 4× 0.5×16 mm(福田結晶技術研究所製(4) )， 0.5 mm 厚のフレーム(ベーナイト鋼)，線径 0.05 mm ， 3500 巻きのコイル， Nd Fe B 磁

図5

振動周波数 28.5 Hz ，加速度 0.075 m / s2 の場合の発生電力．

石 4 × 3 × 2 mm で構成される．一般に振動発電では共振現象を利用し，振動源の周波数とデバイスの共振周波数を一致させることで振幅が最大になり大きな発電が行われる．また発電原理を裏付ける．また先端に錘を付けず先端を弾く自由

大きな振動を得るためには先端に錘を付けた方がよい．例え振動(共振周波数 420 Hz)では 25 V の電圧が発生し，0.5～1

ば こ れ に 錘 10.2 g を 付 け た 場 合 ， 周 波 数 28.5 Hz で 共 振mJ のエネルギーが取り出せる．磁歪式では，スケール効果

し，加速度 0.049 G(1 G＝9.8 m/s2)で，1 V の電圧(開放)がが成り立ち，形状を 3 辺等尺で K 倍すると，共振周波数は発生する(図)．これに抵抗を付けてジュール損で考慮した

1 / K ，電圧は K 倍，コイルの巻き数が同じなら抵抗は 1 /電 力 を 評 価 し た 結 果 が 図  で ， 0.075 G で 最 大 電 力 1.1

K，結果，出力は K の 3 乗，つまり体積に比例する(5)．図 3

mW ，実効電力 0.39 mW を出力する．なお 28.5 Hz ， 0.075の写真の中，右のデバイスは，前述の小型をそれぞれ 2 倍，G の振動振幅は 0.015 mm(指で触れてもほとんど感じない)

4 倍したもので，動作周波数はそれぞれ 1/2， 1/4 となり出で，この時の出力 0.39 mW は，コイン電池 CR2032 (直径

力は 8 倍， 64 倍になる．以上の関係からデバイスの動作周

20 mm，質量 2.9 g)を 3 年間持たせる場合の平均電力 0.026

波数と発生電力(実効)をまとめると図になる．筆者は，小mW を大きく上回る．錘 1.7 g の場合， 88.7 Hz で共振し，型デバイスを10倍，1/2 倍にした超大型，超小型のデバイス

0.6 G で更に大きな電力 2.0 mW を出力する．実際，発生電(図 6 中に写真あり)も開発している．

圧から逆算した合金内の磁束変化は 1.3 T で，先に説明した

ま て り あ 第59巻 第 1 号(2020)
Materia Japan

変換効率について，実測で機械エネルギーの最大 40 を

図6

デバイスサイズによる動作周波数と発生電力(実効値)．右上は超小型 1/2 サイズとコイン電池の写真である．

図7

磁歪振動発電デバイスで実現できる電池フリー
IoT．

電気エネルギーとして取り出すことができることを確認してユーザに知らせる．これにより簡単に防犯や見守り，呼び出いる．これは FeGa 合金の高い電気機械結合係数(0.7～0.8

しのシステムができる．

程度)と優れた構造と磁気回路に由来する．比較として，板( b ) 工場の生産機械や工作機械，モータ，変圧器などの電に圧電素子を貼り付けたユニモルフ型の場合，圧電横効果を気機器，橋の振動で発電し，これを蓄電することで，機械や利用し，材料に応力が付与される長手方向と垂直な方向から構造体の振動周波数，加速度，温度などのセンサ信号を電荷を取り出す．横効果の電気機械結合係数は PZT で0.3～

LPWA (低電力長距離無線モジュール)で定期的に送信す

0.4 程度，変換効率は最大 16 程度である．ほか電磁誘導る．これら信号の時刻暦を分析することで機械の予兆保全が式，例えば永久磁石の往復運動を利用するタイプでは，磁石出来る．人が現地で行う定期的な計測が不要になり，人件費を相当に変位させないと，コイルの鎖交磁束が変化しない．

の削減に繋がる．

これは空隙の磁気エネルギーが主になるからで，付随して大( c ) 例えば土砂や水位の動き，波などで大きな動きで発電

きな磁気力が発生する．結果，磁石を保持する機構が必要し，その情報を遠隔に知らせることで防災が出来る．

で，摺動損が生じ，これが効率と感度，耐久性を低下させ上記を実現するための技術的手法を以下に示す．

る．磁歪式では，錘の振動速度が適度で，その運動を妨げる(ⅰ) 小型のデバイスを基本に，ボタンを押すやドアを開く

摺動部がない．よって効率と感度と共に耐久性も高い．疲労

動きでデバイスを励振し(別途，永久磁石の吸脱着で自由振試験も実施し，錘なしで共振 420 Hz，8 G，1 億回の繰り返動を発生させる)，一度で 0.5 mJ のエネルギーを発生し，無し振動後も出力の劣化がないことを確認し，半永久の寿命を線モジュール( interplan 社製 IM315(7) )を動作し，信号を送もつ可能性を実証している(6)．

信する．一度の動作の発電(2019年現在，中型デバイスを利用)でアナログ信号を長距離で飛ばすことも可能で，例えば

.

磁歪振動発電による電池フリー IoT

ドアを開くことで，動きと共にその部屋の温度を送信するシステムもできる(8)．これは従来の低出力な振動発電ではでき

磁歪振動発電を IoT 電源に利用すると図のような主に 3ない使い方である．

つのシステムが構築できる．

(ⅱ) 中型のデバイスで 30 Hz，0.2 G 程度の振動で，マイコ( 1 ) 人やモノの「一度」のちょっとした動きや衝撃で発電

ンとセンサを動作させ，2 分おきに加速度センサで振動の周し，近距離に無線を送信する

波数と加速度(実効値)，温度を送信するシステムを完成して( 2 ) 定常的な振動や風などで発電し，定期的に長距離にセいる(図)．このときデバイスは乾電池以上の電力を出力しンサ信号を無線送信するている．また振動だけでなく風速 1 m / s 以下の微風による( 3 ) 大きな動きで発電し，長距離にセンサ信号を送信す

振動でも発電し(9)，定期的にセンサ信号を送信するシステム

る，等である．

もできる．

3 つのシステムの主な応用例とそれによる効果を以下に示す．

(ⅲ) デバイスを大型化することで，大きな入力に対応し，(a) 例えば家屋や学校，病院，飲食店などで，ドアや窓を開

ワットオーダの発電，また長距離の通信を行うことも可能で

く，照明のスイッチや呼び出しボタンを押すなど，デバイスある．ほか靴底にデバイスを取り付ける(10)と一歩毎(衝撃発に構造的な工夫を施し，一度のモノの動き，衝撃でデバイス

電)にスマホ通信を行うことができ，これは玩具や楽器，スを 励 振 し ， 無 線 送 信 を 行 う ． こ れ ら の 信 号 を PC や

ポーツ用具に応用できる．これら入力になる振動や動きと送Raspberry Pi で一括に受信し，メールや Line などで遠隔の信するセンサ信号を組み合わせれば応用は無限である．これ



特

集

表1

図8

無線センサシステムの写真．デバイスとセンサ(加速度，温度)，電力変換回路，マイコン，無線通信モジュール( interplan 社製 IM920(7) )で構成される．

スケール効果を考慮した寸法と動作周波数と発生電力の関係．

代表長さ(mm)
合金寸法(mm)

体積

先端
変位
mm

動作
周波数
Hz

発生
電力
W

40
4×0.5×16

1
(基準)

2

50

1m

400
40×5×160

×103

20

5

4000
400×50×1600

×106

200

0.5

動作
周波数
Hz

発生
電力
W

1

50

10

1k

50

100 k

させるのに類似し，振動発電においても入力として例えば水流(潮流)が利用できる．つまりデバイスに水流を当て高速に振動することができれば高出力の発電も実現できる．この鍵を握るのが合金の大型かつ低コスト化である．この点，現状の FeGa 合金では対応できず FeAl 合金など安価な磁歪材

ら応用では様々な振動や動き，衝撃，流れ等で如何にデバイ料の開発が求められる．逆磁歪効果の発現機構と合わせ，磁スを励振するかがポイントで，この点，磁歪式は形状の自由歪材料においてはまだ不明な点や改善できる点も多く，日本度が高い．例えば， U の先端や固定端を伸ばし折り曲げるの金属材料とその製造を専門とする研究者や技術者の活躍に(作用力や振動方向の変換)，U をスプリング要素にする(強期待したい．

制変位発電)，U のフレームを平板にする(平型)，U の先端に流体で振動する物体を取り付ける(流力振動発電)など様々な工夫や使い方ができる．

本研究は，文部科学省「地域イノベーション・エコシステ
ム形成プログラム」の「楽して安全，振動発電を用いた電池
フリー無線センサの事業化とその応用展開」(中心研究者

. ま

と

め

上野敏幸)の一環として実施されている．

文

磁 歪 振 動 発 電 に 関 し て IoT へ の 応 用 を メ イ ン に 解 説 し献た．近年，様々な振動発電デバイスが開発されているが，電池以上の出力と半永久の寿命がなければ置き換えのメリットはない．本開発デバイスは，この両方を満たし，シンプルで極めて高い自由度と汎用性を有し，量産にも適する．ある分
野を皮切りに技術が普及する日もそう遠くない．最後にこの技術の最終的な目標はエネルギー問題の解決である．スケー
ル効果で現状の小型のデバイスを10倍，100倍するとミリワ
ットからワット，キロワットの電力が取り出せる(表)．実際，筆者はワット級のデバイスも試作し，この関係を実証している．大型化するとゆっくり揺れることで，あとはこれを変形させるための力である．例えばこれに水の力，つまり波力や潮流を利用する．現状の波力発電のほとんどがゆっくりの直進運動をギア等で高速回転に変換し発電するタイプで，( 1 ) A. E. Clark, M. WunFogle and J. b. Restorff: IEEE, Trans.
Mag., 37(2000), 32383240.
( 2 ) 上野敏幸日本 AEM 学会誌，26, 1(2018), 185190.
( 3 ) 上野敏幸特許第6343852(2018).
( 4 ) 南都十輝他まてりあ，56(2017), 2729.
( 5 ) 上野敏幸日本 AEM 学会誌，22, 3(2014), 368373.
( 6 ) 上野敏幸，森山壮詞，南谷 保第26回 MAGDA コンファレ
ンス in 金沢講演論文集，(2017)，399
400.
( 7 ) https://www.interplan.co.jp/( 8 ) 開地成人，上野敏幸第 31 回「電磁力関連のダイナミクス」
シンポジウム講演論文集，(2019)，24B2
1.
( 9 ) K. Hasegawa, T. Ueno and T. Kiwata: IEEE Transactions on
Magnetics, 55(2019), 2904538.
( 10 ) 南谷 保，上野敏幸第 30 回「電磁力関連のダイナミクス」
シンポジウム講演論文集，(2018)，320
325.
(11) 竹内寿太郎大学課程 電気設計学，オーム社，(2016)．
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

構造が繁雑で効率も低い．一方，磁歪式ではメートル級で波2000 年に東北大学 工学研究科 機械電子工学専攻で博士(工学)の学位を取得．
日本学術振興会特別研究員，東京大学特任助教などを経て， 2009 年に金沢大学 理工研究域 電子情報学系
准教授に着任．現在に至る．振動発電デバイスから
IoT 応用まで一連の研究開発を実施している．

の力を直接受け変形し発電する構造が取れる．つまり上記の優れた特徴を維持し，シンプルで高効率，高耐久な波力発電が実現できる．もしこれを高速に振動することが出来れば，電気機器の容量は周波数が一定とすると寸法の 4 乗に比例★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

する(11) に従い，寸法の 4 乗倍の電力が取り出せると予想される．このような使い方は水力発電所でタービンを高速回転

ま て り あ 第59巻 第 1 号(2020)
Materia Japan

上野敏幸



振動発電用の FeGa 合金
単結晶の逆磁歪効果
藤枝

俊

枦

修一郎1
)

川又

石 山 和 志2 鈴木) 福 田 承 生透

志 村 玲 子


茂


ここで， N はコイルの巻き数を表す．一方，図 1 右に示す

.

は じ

め

に

ように，逆磁歪効果を利用した振動発電では，コイルの中に磁性体を設置し，バイアス磁場を印加して磁化させる．磁性

無磁場中において，強磁性体は磁区と呼ばれる磁化方向が体が振動により圧縮されたり引張られたりすると，逆磁歪効揃った複数の領域を作り，外に漏れる磁束を低減した磁区構果によりコイルを貫く磁束が変化するため，磁性体の移動無造を形成する．また，各磁区の内部では電子スピンと軌道のしでも電磁誘導による誘導起電力が得られる．従って，優れ相互作用(スピン軌道相互作用)に起因して，磁歪と呼ばれるた振動発電デバイスを実現するには，逆磁歪効果により大き磁化方向に依存した結晶格子歪みが生じる．そのため，強磁な磁束変化を示す磁性体，すなわち“逆磁歪材料”が要求さ性体に磁場を印加すると外形が歪む．これが磁歪効果れる．

(≡Juole 効果)である．この逆効果として，強磁性体へ応力を印加すると磁気的性質が変化する．この現象は，逆磁歪効
果(≡Villari 効果)と呼ばれる．
2011 年に上野らにより逆磁歪効果を利用して身辺で発生する振動を電気エネルギーに変換する画期的な振動発電デバイスが開発され(1)(2)，IoT(Internet of Things)デバイス用の小型電源として注目されている(3)．その振動発電の原理を，
電磁誘導の原理と比較して図に示す．導電性のコイルに磁石を近づけて，磁束がコイルを貫くと電磁誘導により誘導起電力が生じる(図 1 左参照)．この時に発生する電圧 V は，次式に示す Faraday の法則で表され，コイルを貫く磁束の時間変化 dF/dt に比例する．
V＝－N

dF
dt

(1)

図1

電磁誘導(左)および逆磁歪効果を利用した振動発電(右)の原理の比較．(オンラインカラー)

大阪大学大学院工学研究科准教授(〒5650871 吹田市山田丘 2
1)
東北大学 電気通信研究所1)准教授 2)教授
東北大学 金属材料研究所助教
東北大学 多元物質科学研究所准教授
福田結晶技術研究所社長

東北大学 マイクロシステム融合研究開発センター教授
Inverse Magnetostrictive Effect in FeGa Alloy Single Crystals for Application to Vibration Power Generation; Shun Fujieda,Shuichiro Hashi, Toru Kawamata, Rayko Simura, Kazushi Ishiyama, Tsuguo Fukuda, Shigeru Suzuki
Reserch(Department of Management of Industry and Technology, Graduate School of Engineering, Osaka University, Osaka. 
Institute of Electrical Communication, Tohoku University, Sendai. Institute for Materials Research, Tohoku University, Sendai.
Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials, Tohoku University, Sendai. 
Fukuda Crystal Laboratory,
Sendai. Micro System Integration Center, Tohoku University, Sendai)
Keywords: inverse magnetostrictive effect, Villari effect, magnetostriction, magnetic domain, energy harvesting
2019年 9 月25日受理[doi:10.2320/materia.59.10]



特

集

本稿では，振動発電用の逆磁歪材料として bcc 構造の Fe
Ga 合金単結晶に着目して取り組んだ著者らの最近の研究成果を示す．まず，次節では FeGa 合金単結晶の振動発電への応用により優れた発電特性が得られることを概説する．3
節では，FeGa 合金単結晶の初期磁区構造(無印加磁場および無印加応力状態)および磁場印加の影響について述べる．
4 節では，応力印加による磁区構造の変化および機械的性質との関係を明らかにする．それらの結果を踏まえ，5 節ではFe Ga 合金単結晶の優れた発電特性の発現機構について磁区構造の観点から説明する．最後に 6 節でまとめを行う．

図2

Fe Ga 合金単結晶の( 001 )面の初期磁区像(無印
加磁場および無印加応力)(左)と模式図(右)(18)．
右図において，矢印は各磁区の磁化方向を表し，灰色の磁区は補助磁区を表す．(オンラインカラー)

. FeGa 合金単結晶の振動発電への応用
bcc 構造の Fe Ga 合金は 2000 年に Clark らにより見出さ状態を基準とし，その差分により磁区画像を得た．観察面がれた磁歪材料であり， 17 at 程度の Ga 濃度で Ni ， Fe Al

程度傾いているため補助磁区も含むが，コントラストの異2°合金および FeCo 合金よりも大きな約 311 ppm の磁歪効果なる 4 種類の磁区( B, W, G1 および G2 )が観察された．観を示す(4)(5) ．この値は超巨大磁歪材料と呼ばれる Tb Dy 

察光の入射方向とコントラストの関係を解析した結果，B 磁

Fe 化合物の磁歪効果より小さい(6)．しかし， FeGa 合金は区および W 磁区の磁化方向は[ 010 ]および[ 01̃0 ]であり，比較的良好な機械的性質を有し，脆い Tb Dy Fe 化合物でG1 磁区および G2 磁区の磁化方向は[1̃00]および[100]であは困難な機械加工も可能である(7)(9) ．さらに，前者の飽和った．隣り合う B 磁区と W 磁区および G1 磁区と G2 磁区

磁束密度は 1.5 T 程度で，後者(1 T 程度)よりも大きい．つで，磁区を隔てる磁壁に着目するとの磁化方向はほぼ 180 °まり， Fe Ga 合金は比較的大きな磁歪と飽和磁束密度およ

階段状である．一方，隣接する B 磁区と G1 磁区および W

び良好な機械的性質を併せ持っている．

磁区と G2 磁区の磁化方向はほぼ 90°
で，その磁壁は直線的

Fe Ga 合金の磁歪定数は結晶方位に強く依存する(4)(5) ．

である．すなわち，FeGa 合金単結晶の{100}面の初期磁区

例えば，Ga 濃度 13 atの FeGa 合金の磁歪定数は〈100〉方

構造は，主に面内の 4 つの〈100〉磁化容易軸方向を磁化方向向で最大であり，その値(約 140 ppm)は〈111〉方向の磁歪定

磁壁と階段状とする磁区で構成され，それらは直線的な 90°

数よりも約 9 倍も大きい(5) ．そこで，著者らは結晶方位のの 180°
磁壁で隔てられる．

揃った単結晶に着目した(10)(11) ． Czochralski ( CZ )法により

図(a)(d)に[010]方向への磁場印加による磁区構造の変Fe Ga 合 金 単 結 晶 を 作 製 し(12)(13) ， 切 り 出 し た 試 験 片 の化を示す(18)．300 Oe の磁場印加により，観察領域の左下外〈100〉方向と振動による応力の発生方向が平行になるように側から 180°磁壁が現れる．また，右上の 180°
磁壁は，さらデバイス(上野らが開発した旧型の平行梁型デバイス(14))にに右上に移動する．印加磁場を 560 Oe まで増加させると，搭載して振動発電試験を行った(12) ．その結果， 4 V 程度の

左下の 2 つの 180°磁壁は衝突して消滅し，右上の 180°磁壁

振動発電に成功し，それが飽和磁束密度の 53 に相当する

は観察領域の右上外側へ移動する．上述のように階段状の0.8 T 程度の磁束変化に起因することを突き止めた．つまり，磁壁が移動・消滅している間，直線的な 90°
磁壁は殆ど
180°

Fe Ga 合金単結晶は，逆磁歪効果による大きな磁束変化に移動しない．その結果， 980 Oe の印加磁場では，直線的な起因して優れた発電特性を実現できるため，逆磁歪材料とし磁壁のみで構成された縞状磁区となる．さらに強い磁場
90°て有望である．なお， Fe Ga 合金単結晶の CZ 法による作を印加すると， 90 °
磁壁が移動し始め， 1960 Oe で磁場印加製(15)(16) および振動発電デバイス(17) の詳細は解説記事を参方向を磁化方向とする単磁区状態に達する．このように，磁照されたい．

場印加による磁区構造変化の特徴が明らかになった．
図に磁区観察と同一単結晶の[010]方向の磁化 M[010] お.

FeGa 合金単結晶の初期磁区構造および磁場印加の影響

よび歪み DL / L[010] の磁場依存性を示す(18) ．これらの測定において，磁場は磁区観察と同様に[010]方向に印加した．
磁場印加により，磁化方向が磁場方向の磁区(→方向)の割合

Fe Ga 合金単結晶を搭載した振動発電デバイスの発電特が増加するため(図 3 参照)，磁化は増加する．一方， 300

性を向上させるには，逆磁歪効果による大きな磁束変化の発Oe 以 下 の 印 加 磁 場 で は ， DL / L[010] 曲 線 は 殆 ど 変 化 し な

生機構の解明が大切である．そこで， Kerr 効果顕微鏡を用い．また， 560 Oe 程度の印加磁場でも DL /L[010] は 30 ppm

いて逆磁歪効果と密接に関連する磁区構造の詳細な観察を行程度である．その後，さらに強い磁場を印加すると DL /った．Ga 濃度 16.1 atの FeGa 合金単結晶の(001)面の初L[010] は急激に増大し，磁化と同程度の印加磁場で飽和する．

期磁区構造を図に示す(18)．観察には直径 10 mm で厚さ 2FeGa 合金の〈100〉方向の磁歪定数は正であり(4)(5)，各磁区

mm の円盤状試料を用いた．磁場印加により磁化飽和させたにおいて結晶格子は磁化方向の〈100〉磁化容易軸方向に伸び

ま て り あ 第59巻 第 1 号(2020)
Materia Japan



図4

Fe Ga 合金単結晶の[ 010 ]方向の磁化 M[010] (上)お よ び 歪 み DL / L[010] ( 下 ) の 磁 場 依 存 性(18) ．
[ 010 ]方向に磁場を印加した．また，図 3 の( A )～(E)に対応する状態を矢印で示す．

. 応力印加による磁区構造の変化とヤング率との関係
引張り応力を印加した Ga 濃度 12.8 at の Fe Ga 合金単結晶の[ 010 ]方向の歪み DL / L[010] の磁場依存性を図に示す(19)．測定には，縦 5.51 mm，横 4.67 mm で厚さ 0.54 mmの板状試料を用いた．引張り応力および磁場は，[010]方向と平行に印加した．無印加応力状態において，DL/L[010] 曲
線は 160 ppm 程度に飽和する．ここで，飽和磁場が図 4 の値よりも低いのは，主に試料の形状が異なることに起因す
る．引張り応力の印加により，DL/L[010] 曲線の飽和値は減少する．前節で述べたように，DL/L[010] 曲線は磁区構造と
図3[010]方向に磁場を印加して観察した FeGa 合金
単結晶の(001)面の磁区像(左)と模式図(右)(18)．
右図の矢印は各磁区の磁化方向を表す．

密接に関わる．従って，引張り応力の印加による磁区構造の変化が強く示唆される．
同一単結晶の[010]方向と平行に引張り応力を印加して観察した磁区構造の変化を図に示す(19)(20)．5.7 MPa 程度の引張り応力を印加すると，初期磁区を構成する直線的な磁壁および階段状の 180°磁壁は同時に動き出す．さらに
90°ている．つまり，比較的低磁場で生じる 180 °
磁壁の移動で応力を印加すると，引張り方向に対して磁化方向が垂直の磁は，格子が[ 010 ]方向と平行方向に伸びている磁区(→方向

区(↑方向および↓方向)の割合が減少し，磁化方向が平行のおよび←方向)の割合は増加しないため， DL / L[010] 曲線は

磁区(→方向および←方向)の割合が増加する．さらに，11.4

磁壁の移動によ殆ど変化しない．比較的高磁場で生じる 90°

MPa の引張り応力を印加すると，引張り方向に対して磁化

り，格子が[010]方向と平行方向に伸びている磁区の割合は方向が垂直の磁区(→方向および←方向)は消滅し，磁化方向

増 加 す る の で DL / L[010] は 増 加 す る ． つ ま り ， 図 4 下 のが平行の磁区(→方向および←方向)で構成された縞状構造とDL/L[010] 曲線の振舞いは，図 3 に示した磁区観察の結果となる．一方，圧縮応力を印加すると，圧縮方向と磁化方向が対応する． Kerr 効果顕微鏡で観察できるのは表面近傍のみ垂直の磁区で構成された縞状構造が観察された(21) ．つまであるが， Fe Ga 合金単結晶の内部においても，図 3 で述り，磁歪による結晶格子の歪みで印加応力を緩和するためにべた特徴と同様の磁区構造変化が生じると推察される．

磁壁は移動・消滅し，その際に磁束が外に漏れないよう
90°
磁壁は階段状から直線的になると説明される．図 3に 180 °



特

集

図5

引 張 り 応 力 を 印 加 し た Fe Ga 合 金 単 結 晶 の[010]方向の歪み DL/L[010] の磁場依存性(19)．引
張り応力および磁場は，[010]方向と平行に印加した．

図7

Fe Ga 合 金 単 結 晶 の 張 り 応 力 s ― 歪 み e 曲
線(19) ．[ 010 ]方向と平行に引張り応力を印加した．図 5 の(a)～(d)に対応する状態を矢印で示す．

で述べた磁場印加とは異なる，応力印加による磁区構造変化
磁壁が消滅する 11.4の特色が明らかになった．また， 90 °MPa 以上の引張り応力において図 5 の DL /L 曲線の飽和値はほぼゼロであり，磁区観察結果と対応することから，FeGa 合金単結晶の内部においても同様の特徴の磁区構造変化が生じていると推察される．
上述の磁区構造の変化は，機械的特性にも大きな影響を及ぼす．図に同一単結晶の引張り応力―歪み曲線を示
磁壁がほぼ消滅するす(19) ．応力―歪み曲線は，図 6 で 90 °11.4 MPa 近傍の印加応力で大きく折れ曲がる． 11.4 MPa

以上の印加応力における応力―歪み曲線の傾きから求めたヤ
ング率は 74 GPa であり，既報と同程度の値を示す(22) ．一方， 11.4 MPa 以下のデータから求めたヤング率は 32 GPa
である．つまり， 90°
磁壁の移動・消滅による応力緩和により，ヤング率は 59も低下する．ここで注意しなければならないことは， 11.4 MPa 近傍の印加応力における歪みが300 ppm 程 度 も あ り ， 図 5 で 示 し た 無 印 加 応 力 に お け る

DL / L[100] 曲線の飽和値よりも 2 倍程度も大きいことである．このことは，応力印加による磁区構造の変化は弾性変形も伴うことを意味する． Fe Ga 合金単結晶では，印加応力の半分は弾性変形に費やされ，残りの半分程度しか磁区構造の変化には寄与しない．従って，逆磁歪効果を利用して優れた発電特性を得るには，磁性体に磁歪よりも大きな歪みを印加する必要がある．

.
図6[010]方向と平行に引張り応力を印加して観察した Fe Ga 合金単結晶の( 001 )面の磁区像(左)と模式図(右)(19) ．右図において，矢印は各磁区の磁化方向を表し，磁化方向が引張り方向と垂直の磁区を灰色で示す．

ま て り あ 第59巻 第 1 号(2020)
Materia Japan

逆磁歪効果による磁束変化の発生機構

図 1 で述べたように，優れた発電特性を得るには逆磁歪効果による大きな磁束変化が求められる．3 および 4 節で述
べた磁区観察結果より予想される Fe Ga 合金単結晶の逆磁歪効果による磁束変化の発生機構を図に示す(23)．無印加



図8

磁区観察結果より予想される FeGa 合金単結晶の応力印加による磁束変化の発生機構の模式図(23)．矢印は磁区の磁化方向を表す．また，各磁区における磁歪による結晶格子歪みを長方形で示す．

磁場および無印加応力の初期磁区は，直線的な 90°
磁壁と階段状の 180°磁壁で形成される．この状態で FeGa 合金単結晶に引張りおよび圧縮応力を印加すると，印加応力を緩和す
磁壁は移動・消滅する．すなわち，引張り応力るように 90°および圧縮応力と平行および垂直な 180 °磁壁で構成された縞状磁区となる．従って，磁束変化は生じない．一方，無印
加応力で適切な強さの磁場(バイアス磁場)を印加すると磁壁が移動・消滅して，直線的な 90°
磁壁で構成された
180°
縞状磁区となる(図 8(b )参照)．この状態で応力を印加して磁壁を移動・消滅させると，今度は引張り応力および圧90°
縮応力と平行および垂直な磁化方向の単磁区に近い状態が生じ，大きな磁束変化が生じる．従って，初期磁区構造およびバイアス磁場の強さが Fe Ga 合金単結晶を利用して優れた発電特性を実現する鍵となる．
最近，我々は振動発電デバイスに搭載した状態の Fe Ga
合金単結晶の磁区観察に成功した(24) ．図( a )に示すように，上野らが開発した新型のユニモルフ振動発電デバイスでは， U 字型フレームに FeGa 合金単結晶を貼り付けた状態

図9( a )ユニモルフ型振動発電デバイスおよび( b )磁区観察方法の模式図．(c)デバイスに搭載した状態の FeGa 合金単結晶の(001)面の磁区像(24)．

でコイルを巻き付けて，永久磁石でバイアス磁場を印加する構造になっている．磁区観察は，図 9 (b)に示すように，自を繋ぎ合わせて Fe Ga 合金単結晶の全面の磁区像を得た．

由端を振動させた際の応力の発生方向と[010]方向が平行で単結晶の自由端側では，微細で複雑な磁区構造であるが，支観察面が( 001 )面となるように Ga 濃度 14.3 at の Fe Ga

磁壁で点側では引張り応力方向とほぼ平行の直線的な 180 °

合金単結晶をデバイスに貼り付け，コイルと永久磁石を取り構成された縞状磁区が観察された．つまり，応力が支点側に外した状態で行った．例として，無印加応力では 3.5 mm の集中するため不均一であるが，図 8 で述べた磁区構造変化

U 字型フレームの開口部(D)を 2.0 mm に押し縮めて観察しがデバイスに搭載した状態で確認された．

た結果を図 9( c )に示す．デバイスに搭載した状態では磁化飽和状態の参照像を得ることが出来ず Kerr 効果顕微鏡での

.

お

わ

り

に

観察が困難であったため，この観察では参照像無しで明瞭な磁区像が得られる Faraday 効果磁場センサーを利用した．

人工知能およびロボットの技術の目覚ましい進展が期待さ

観察視野が限られているため，領域を分割して観察した結果れており，それらの技術で利用される様々な情報を収集およ



特

集

び集約する IoT デバイスは基盤技術としての重要性が高まっている．しかし，従来の IoT デバイスは電池で駆動するため，その数が増えると電池の管理および維持の手間が膨大となり，普及の障害となる．本稿で述べた Fe Ga 合金単結晶を搭載した振動発電デバイスは，身の回りで頻発する振動で数 mW の電力を作りだすことが出来る．また，従来の圧電式および静電式の振動発電技術と比較して耐久性に優れており，1 億回の振動発電後でも劣化は殆どない．従って，上述の問題を克服して IoT デバイスの普及を促進するメンテ
ナンスフリーの小型電源として有望である．
Fe Ga 合金単結晶を搭載した最新のユニモルフ振動発電

デバイス(図 9(a)参照)では，1.3 T 程度の磁束変化が実現され(25)(26)，指でフレームを弾く振動による発電で簡単な情報の無線送信にも成功している(27) ．また，現在では直径約 4インチの大型単結晶インゴットの作製も可能となり，CZ 法による Fe Ga 基合金単結晶の量産技術が確立されつつある(11)．したがって，材料とデバイスが両輪となって開発が進められており，近い将来の実用化が期待される．
本研究は，上野敏幸 金沢大学准教授，小貫祐介 茨城大学
助教および梅津理恵 東北大学准教授の協力を受けて行われた ． ま た ， 科 研 費 基 盤 研 究 ( B ) ( 17H03374 お よ び
17H03422)，東電記念財団および科学技術振興機構 CRESTの助成を受けた．ここに深く感謝の意を表す．

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(12) S. Fujieda, S. Suzuki, A. Minato, T. Fukuda and T. Ueno:

ま て り あ 第59巻 第 1 号(2020)
Materia JapanIEEE Trans. Magn., 50(2014), 2505204.
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Conf. Proc., 1649(2015), 27.
(14) S. Kita, T. Ueno and S. Yamada: J. Appl. Phys., 117(2015),
17B508.
( 15 ) 南都十輝，安藤宏孝，渡邊清和，高橋和也，福田承生，上野敏幸，川又 透，藤枝 俊，鈴木 茂まてりあ，56(2017),
27.
(16) 鈴木 茂，志村玲子，福田承生金属，88(2018), 57.
(17) 上野敏幸日本磁気学会誌 まぐね，6(2011), 140.
(18) S. Asano, S. Fujieda, S. Hashi, K. Ishiyama, T. Fukuda and S.
Suzuki: IEEE Magn. Lett., 8(2017), 6101004.
(19) S. Fujieda, S. Asano, S. Hashi, K. Ishiyama, T. Fukuda and S.
Suzuki: J. Appl. Phys., 124(2018), 233901.
(20) S. Fujieda, S. Asano, S. Hashi, K. Ishiyama, T. Fukuda and S.
Suzuki: Mater. Sci. Forum, 941(2018), 914.
( 21 ) 藤枝 俊，浅野晨平，川又 透，鈴木 茂，梅津理恵，枦修
一郎，石山和志，福田承生日本金属学会春期講演大会概要
集，(2018)，267.
(22) R. A. Kellogg, A. M. Russell, T. A. Lograsso, A. B. Flatau,
A. E. Clark and M. WunFogle: Acta Mater., 52(2004), 5043.
(23) S. Fujieda, S. Asano, S. Hashi, K. Ishiyama, T. Fukuda and S.
Suzuki: to be submitted.
(24) T. Takahashi, R. Simura, S. Fujieda, T. Kawamata, S. Suzuki
and T. Fukuda: Jpn. J. Appl. Phys., 58(2019), 106508.
(25) 上野敏幸日本 AEM 学会誌，26(2018), 185.
(26) T. Ueno: AIP Advance, 9(2019), 035018.
(27) 金沢大学振動発電研究室ホームページ
http://vibpower.w3.kanazawau.ac.jp/demonstration.html★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
藤枝 俊
2004年 3 月 東北大学大学院工学研究科博士課程修了 博士(工学)2004年 4 月 日本学術振興会特別研究員(PD)2008年 4 月 東北大学 産学官連携研究員
2009年 4 月 東北大学 多元物質科学研究所 助教
2016年11月 Paris Diderot University (Paris 7) 客員研究員
2018年10月 現職
専門分野磁性材料学◎バルクおよび微粒子の磁性材料のエネルギー変換応用に関する研究に従事．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

藤枝

俊

枦 修一郎

川又

透

石山和志

福田承生

鈴木

茂

志村玲子



Fe
Co 系磁歪合金を用いた複合材料の振動・衝撃発電特性
成

田

史

生

れ，盛んに研究が進められている(4)(5)．また，スパッタ法に

.

は じ

め

に

より Fe Co 薄膜(6) が，鍛造・冷間加工によって Fe Co 合
金(7)が開発され，磁歪特性に及ぼす熱処理などの影響が検討

あらゆるモノがインターネットにつながる IoT ( Internet

されている．さらに，センサへの応用を目指し， Fe Ga /of Thingsモノのインターネット)が全世界に破壊的イノベ

Fe Co 積層材料(8) ， AlN / Fe Co 積層材料(9) ， Tb Dy Fe /ーションをもたらそうとしている．設備や機器にセンサ

Fe Co 積層材料(10) や Fe Co コーティング(11) が開発されて(目・耳)が搭載され，アナログ情報がデジタルデータとしている他， Fe Co 系マイクロワイヤの応力誘起磁壁移動に関可視化された後，インターネットを経由してグラウド上に蓄する研究(12)も行われている．

積され，分析される．そして，分析された情報は，最適化さ複合材料は，使用目的に応じて 2 種類以上の材料を組みれ，アクチュエータ(手・足)によって現実世界にフィードバ

合わせ，単独では得られない特性を持たせたもので，様々なックされる．これにより，品質・効率・生産性の向上や新し分野で利用されている．最近，軽量さと高い強度・剛性を備い価値・サービスの創出が可能となり，人々の生活が大きくえた複合材料に全く新しい別の機能(例えば，センサ，アク

変わろうとしている．一方，センサの数は，今後爆発的な勢

チュエータ，エネルギーハーベスティング・貯蔵，自己治

いで増えることが予想され， 2030 年には 1 兆個に達すると癒，モーフィングなどの機能)を追加して複数の機能を同時いわれている(1)．センサの駆動やデータの通信には，数m～に実現するマルチファンクショナル複合材料の研究開発が進mW 程度の電力が必要であるが，1 兆個レベルのセンサに電められ，複合材料の新しい用途展開と市場拡大に向けて研究池を使用する場合は，環境，資源およびコストの面で極めてトレンドが変化してきている．

大きな社会問題となる．このため，自然界環境に広く存在す

本稿では， Fe Co 合金を 用いた機能 性複合材料を対 象る未利用のエネルギー(振動，熱，光，電波など)から電力をに，エネルギーハーベスティングの基礎的事項を取り上げ，回収するエネルギーハーベスティング(環境発電)が注目を集

逆磁歪特性評価の概要について述べる．また，振動・衝撃発

め(2)，センサ駆動・データ通信用電力としての利用が期待さ

電特性に関する最近の研究状況についても言及する．

れている．
エネルギーハーベスティング材料として有望な圧電セラミ.

磁場―力学場相互干渉と基礎式

ックスは，脆く，また，絶縁体であるため，振動で得られる
電圧が大きくても電流が小さく，大きな電力は得られない現本章では，磁歪材料の基礎式について述べる．直交座標系

状にある．また，チタン酸ジルコン酸鉛( PZT )系圧電セラ

Ox1 x2 x3 において，長さ l，断面積 A の細長い磁歪丸棒を考

ミックスには，有害物質(鉛)が含まれているため，環境問題

え，磁化容易軸を，長さ方向と一致させ， x3 方向とする．

上，非鉛系圧電材料の開発が要望されている(3)．一方，超磁丸棒の長さが直径に比べ極めて大きい場合は一次元問題に帰歪特性を示す Tb Dy Fe 合金( Terfenol D )や Fe Ga 合金

着され，磁歪材料の構成方程式は次式で与えられる(13)．

(Galfenol)がエネルギーハーベスティング材料として注目さ

e33＝s33s33＋(d33＋m33 H3)H3(1)

東北大学 大学院工学研究科 材料システム工学専攻教授(〒9808579 仙台市青葉区荒巻字青葉 6602)
Magnetostrictive FeCo Integrated Composites for Kinetic Energy Harvesting; Fumio Narita(Tohoku University, Sendai)
Keywords: mechanics of electromagnetic materials, energy harvesting test, finite element simulation, ironcobalt fiber, composite materials, cladplates, inverse magnetostrictive effect, output power
2019年 8 月20日受理[doi:10.2320/materia.59.16]



特

集

B3＝(d33＋m33 H3)s33＋m33 H3(2)

ここに，s33，e33 は，それぞれ応力テンソル，ひずみテンソ
ルの成分， B3，H3 はそれぞれ磁束密度ベクトル，磁場の強さベクトルの成分，s33 は弾性コンプライアンス係数，d33 は
圧磁定数， m33 は透磁率である．また， m33 は応力に依存する 2 次の磁気弾性定数(14)(15)である．
簡単のため，磁歪丸棒の磁化容易軸方向すなわち x3 方向に，時間 t に依存する一様な圧縮荷重 s0( t ) A が作用する場合を考える．このとき，丸棒には一様な垂直応力 s33＝s0(t )が生じ，その結果，式( 2 )より丸棒内部の磁束密度 B3 が変化する．単位長さあたりの巻き数 n のコイルを通して磁歪丸棒に発生する電圧 Vout は，Farady の法則から次のように得られる．
Vout＝－nl A

dB 3
dt

(3)

式( 2 )を式( 3 )に代入してみると，出力電圧はコイルの巻
き数 n ，磁歪材料の体積 A l の他に，圧磁定数 d33 や負荷速
度 ds33/dt に依存することが容易に理解できる．

. Fe
Co ファイバー複合材料
Fe Co 合金は，加工性と強度に優れ，磁化・磁歪特性も良く，線材にして樹脂に埋め込むことが可能である．本章では， Fe Co ファイバー複合材料の特徴と逆磁歪特性を解明した最近の結果について概説し，パンプスのヒール部に応用
して衝撃発電実験を行った例も示す．


特徴と逆磁歪特性

図1

磁歪材料の例．(a)バルク．(b)ファイバー．(c)複合材料．

磁束がファイバーの長さ方向に浸透しやすい性質を引出
し，かつ，エポキシ樹脂内部に埋め込む際の製造工程を工夫して，磁歪ファイバー複合材料が設計・開発されている．図は様々な磁歪材料を示したもので，( a )は Terfenol D ，
Galfenol ，( b )は直径 0.2 mm の Fe Co ファイバー， Fe Co

ファイバーとポリエステルファイバーとの織物材，( c )はFeCo ファイバー/エポキシ樹脂複合材料，FeCo ファイバ

ーを埋め込んだ炭素繊維強化プラスチック(CFRP)積層板である．図の Galfenol と Fe Co ファイバー/エポキシ樹脂複合材料は体積がほぼ同じで重さがそれぞれ約 12.8 g，2.14 g(ファイバーのみで 0.625 g)であるので，FeCo ファイバー
複合材料は，軽量化を実現しており，また，構造体に成形一

図2

FeCo ファイバー/Al 合金複合材料．

体化できるので設計の自由度も高い．この複合材料の外側にコイルを配置しておくと，圧縮応力 s33＝s0(t )により磁束密度 B3 が変化して電圧 Vout が発生する．単位体積当りの出力

キシ樹脂と大きく異なるため，複合材料にすることで，外力電圧は，負荷速度の増大に伴い増大し，ファイバーの直を作用させると Fe Co ファイバーのみに大きな応力が生じ径(13) ，引張残留応力(16) ，初期バイアス磁場(17) ，熱処理温る(13)．したがって， FeCo ファイバー複合材料の見かけの度(17)などに依存して変化する．

逆磁歪特性は Terfenol D に匹敵する結果となる．また，

最近， Fe Co ファイバーとポリエステルファイバーとのFe Co ファイバーを埋め込んだ CFRP 積層板の逆磁歪特性

織物材を用いてエポキシ樹脂複合材料が作製され，圧縮・三および損傷自己検知機能についても検討されている(19)．さ

点曲げ荷重による磁束密度変化が計測されている(18) ． Fe 

らに，図に示すような Fe Co ファイバー/ Al 合金複合材

Co ファイバーは，磁気異方性が高い上，縦弾性係数がエポ料が作製され，圧縮荷重によって約 5.5 mW の電力出力が

ま て り あ 第59巻 第 1 号(2020)
Materia Japan



図3

図5

Fe Co / Ni クラッド鋼板および Fe Co 平板の片
持ちはり．

図6

静的曲げを受ける片持ちはりの( a )応力分布と(b)磁束密度分布．

コイル内蔵 FeCo ファイバー複合材料．(a)試作
イメージ．(b)発電パンプスへの埋め込み．

.

FeCo クラッド鋼板

磁歪平板に曲げ荷重が作用し，下側が凸になるように変形する場合，平板の上側には圧縮応力が，下側には引張応力が生じる．圧縮応力が生じている部分と引張応力が生じている
図4

Fe Co 磁歪ファイバー埋込型パンプスの衝撃発電実験結果．

部分の境界は中立面と呼ばれ，この中立面より上側と下側とで応力 s33 の正負が異なる．その結果，式( 2 )の磁束密度
B3 は一様にならず，これが磁歪平板の高出力の妨げになっている．したがって，曲げ振動による出力電力を可能な限り大きくするには，磁歪材料設計に工夫が必要である(22)(23)．
本章では， Fe Co クラッド鋼板の振動発電特性に注目し，最近の研究成果について述べる．
得られている(20)．


パンプスへの応用

機能発現メカニズム

Fe や Ni などの冷間圧延板と Fe Co の冷間圧延板とを熱Fe Co ファイバー埋込型パンプスが試作され，歩行運動

拡散接合させたクラッド鋼板は，曲げ振動を受けると，Fe

中の足踏みによる出力電力が評価されている(21)．図(a)はCo 平 板 単 独 の 場 合 よ り も 大 き な 振 動 発 電 出 力 が 得 ら れ

コ イルを内 蔵させた Fe Co ファ イバー複 合材料(直径 10る(24) ．図は自由端に集中荷重を受ける Fe Co / Ni クラッ

mm，長さ 35 mm)を示したもので，図 3(b)のように市販のド鋼板と Fe Co 平板の片持ちはりを示したもので，長さはパンプスのヒールに搭載され， 100～ 200 N 程度の衝撃荷重

65 mm ，厚さは 1 mm ，幅は 5 mm である．自由端に 0.05

で LED の点灯が確認されている．図に示すように，ばらmm の強制たわみを負荷し，磁場力学場の相互干渉を考慮つきが認められるが，歩行時の衝撃によって 100 mW 以上

した有限要素解析を実施すると，図( a )に示すように，材の電力が得られている．また，結果は示していないが，出力料内部に生じる長さ方向垂直応力分布は両材料ともほぼ同程

電力は，ヒトの体重ではなく，歩行時の習性に依存して変化度となる．材料に生じる応力が等しいにも関わらず，クラッする．

ド鋼板の振動発電特性が大きくなる点は，両材料の磁束密度



特

集




振動発電特性図は，振動発電デバイスを用いて，曲げ振動発電実験を実施した結果の一例である(25) ．コイルの巻き数は 64000 である．図 7(a)，(b)は，それぞれ FeCo/Ni クラッド鋼板とPZT 系圧電セラミック平板(市販品)の曲げ振動によって出力される電力密度と負荷抵抗・加速度の関係を示したもの
で，振動数 50 Hz の場合である．Fe
Co/Ni クラッド鋼板は，
PZT 系圧電セラミック平板では達成できない微小振動からも電力が得られ，様々な応用が期待される．
最近， Fe Co クラッド鋼板の逆磁歪特性に及ぼす窒化処
理(26) ，切欠き(27) および初期バイアス磁場方向(28) の影響が検討されている．クラッド鋼板の曲げ振動による出力電圧
は，窒化処理を施したり，切欠きを導入することで増大する
ようであり，振動発電特性の増大も予想される．

.

お

わ

り

に

本稿では， Fe Co 合金を用いた複合材料に注目し，逆磁
歪特性および振動・衝撃発電特性に関する理論的・実験的研究の現状を展望した．まず初めに， Fe Co ファイバー複合材料の逆磁歪特性と衝撃発電に関する最近の研究状況について概説した．次に， Fe Co クラッド鋼板に注目し，曲げによる磁気力学場の数値シミュレーションと振動発電実験の結果を示して，考察した．今後， Fe Co 系磁歪合金を用いたエネルギーハーベスティング複合材料の開発がますます進む
ことが予想され，電磁材料力学に基づく高機能化研究のさらなる発展が望まれる．
図7( a ) Fe Co / Ni クラッド鋼板および( b ) PZT 系圧電セラミック平板の振動発電実験結果．

本研究の一部は，東北特殊鋼株式会社 取締役 研究開発部
長 江幡貴司氏をはじめ，多くの方々との共同研究成果である．また，国立研究開発法人 科学技術振興機構( JST )研究
成果展開事業 地域産学バリュープログラム「逆磁歪効果を利用した衝撃発電ヒール・パンプスの開発～スポーツシューズへの展開を目指して～」の成果を含む．
分布の違いから理解できる．図 6 ( b )のように， Fe Co / Ni
クラッド鋼板の磁束密度は中立面より上側と下側とで方向が文

献一致しているが， Fe Co 平板の場合は方向が中立面の上下で逆になっている．すなわち，FeCo平板は，曲げ振動によって中立面より上側と下側の磁束が互いに逆方向に変化する
ため，式( 3 )の dB3/dt が小さくなる．一方，曲げ振動によって，Fe と FeCo とのクラッド鋼板は，FeCo のみ磁束が変化し，また，Fe の代わりに負の圧磁定数をもつ Ni を用いたクラッド鋼板の場合には，Ni と FeCo の磁束が同じ方向に変化して，出力電力が増大する．さらに，両材料に応力集
中は認められないが，FeCo/Ni クラッド鋼板の場合は界面で磁束密度集中が生じている．この磁束密度集中も出力電力を増大させる理由の一つである．これは FeCo と Ni の界面における磁束密度ベクトルの法線方向成分と磁場の強さベク
トルの接線方向成分の連続性に起因していると考えられる．

ま て り あ 第59巻 第 1 号(2020)
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★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
1998 年 3 月

成田史生

東北大学大学院工学研究科博士後期課程修了
1998年 4 月より 株式会社トーキン
1999年 4 月より 東北大学助手
2006年10月より 東北大学助教授
2007年 4 月より 東北大学准教授
2017年 4 月より 現職
専門分野材料力学，複合材料，材料システム設計◎圧電・磁歪複合材料やナノ複合材料の設計・開発・評価に従事．マルチスケール・マルチフィジックス
数値シミュレーションを用いた構造・機能解析技術
を中心に活動．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

特集

Ni2MnGa 系強磁性ホイスラー合金の磁歪特性
左 近 拓 男1山 R 優 志2安 達 義 也))野 尻 浩 之
 鹿又
武

.

ホイスラー合金の磁気特性ならびに磁歪の特徴



ホイスラー合金の磁気特性

プレマルテンサイト相の磁歪

Ni2MnGa は，室温の母相では結晶構造が L21 立方晶型オーステナイト相( A 相)であるホイスラー型合金であるが，ホイスラー合金は，形状記憶効果を有することから，高機

室温より低温に冷却していくと，プレマルテンサイト転移を能合金として注目されている．さらに，磁気熱量効果を用い起こし，プレマルテンサイト転移温度 Tp ＝ 255 K でプレマ

た磁気冷凍材料，ハーフメタルにおける磁気抵抗効果を用い

ルテンサイト相(P 相)が出現する．さらに低温では，マルテ

たスピントロニクス材料，ペルティエ効果やゼーベック効果

ンサイト変態によりマルテンサイト相転移開始温度 TMs ＝を用いた熱電変換素子など機能性材料としての応用に向けた

195 K で 7M マルテンサイト双相( M 相)となる． M 相では研究もなされている(1)．また，マルテンサイト相での 6に

双晶磁歪により， 6 におよぶ巨大磁歪が発生するが(2) ， P

およぶ巨大磁歪(2)や，母相のオーステナイト相とマルテンサ

相でも－ 200 ppm 程度の大きな磁歪が発生する(3) ．この値

イト相の間の中間相であるプレマルテンサイト相での大きなは，室温での Ni 多結晶の磁歪(－34 ppm)(6)の 5 倍程度の大磁歪(3) も注目されている．本稿では， Ni2MnGa 系ホイスラきさである．松井らは，A 相および M 相の結晶磁気異方性ー合金の磁歪に関する研究について報告する．我々はこれま以外にも，磁気異方性定数に磁歪項を導入することで P 相

でに NiMnXGa(x＝Fe, Cu, Co)の磁性を研究してきた．

での磁気異方性が説明されるとした(3) ． Singh らは X 線に各元素の組成比を変えていくと，室温付近でマルテンサイト

よる結晶構造解析から，P 相は 3M の結晶構造であることをが起こることが確認された(4)．これらの合金明らかにした(7) ． A 相は立方晶で対称性が高く，そのためは基底状態が強磁性であるが，キュリー温度 TC も組成比を

磁気異方性が小さいが， M 相では 7M の層状で歪んだ構造

構造相転移 TM

変えることで変化し，また，マルテンサイト転移と強磁性転となり，そのため磁気異方性も大きくなる．P 相では 3M 構

移が同じ温度で起こる組成比の合金も見いだされた(5)．これ造であるので， M 相ほど結晶の歪みは大きくはないが， A

らの合金は構造相転移と磁気相転移が同じ温度で同時に起こ相よりも磁気異方性が大きく，また磁気異方性定数が不安定ることから， Magneto elastic coupling (磁性と格子との相になるために，室温での磁歪(－ 40 ppm )の 5 倍の大きな磁関)が強いことが指摘されている(4)．磁歪も磁化といった磁歪が発生することになると考えられる．価電子数(平均外殻性に関係することから，結晶構造と磁性に依存すると考えら電子数)e/a は Ni, Mn は 3d＋4s 軌道でそれぞれ10, 7 であり，れる．

Ga は 4s ＋ 4p 軌道で 3 であるので， Ni, Mn, Ga の組成比を変えることで Ni2MnGa あたりの価電子濃度 e/a を変化させることができる．マルテンサイト転移温度 TM や Tp は， 1
龍谷大学理工学部機械システム工学科1)教授，2)学生(〒520
2194 大津市瀬田大江町横谷 15)
山形大学理工学研究科准教授
東北大学金属材料研究所教授
東北学院大学工学総合研究所客員教授
Magnetostrictions of Ni2MnGa Type Ferromagnetic Heusler Alloys; Takuo Sakon, Yuushi Yamasaki, Yoshiya Adachi, Hiroyuki
Nojiriand Takeshi Kanomata(Department of Mechanical and Systems Engineering, Faculty of Science and Technology,
Ryukoku University, Otsu. Graduate School of Science and Engineering, Yamagata University, Yonezawa. Instutute forMaterials Research, Tohoku University, Sendai. Research Institute for Engineering and Technology, Tohoku Gakuin University,
Tagajo)Keywords: Heusler alloys, shapememory alloys, itinerant ferromagneism, magnetostriction, magnetization, premartensitic transition, forced
magnetostriction, spin fluctuation theory
2019年 7 月22日受理[doi:10.2320/materia.59.21]

ま て り あ 第59巻 第 1 号(2020)
Materia Japan分子あたりの価電子濃度 e/a が大きくなるにつれて高くなるは隣同士であり， Cr は外殻電子が 3d5 ＋ 4s1 ＝ 6 個であり，ことが明らかとなっている(3)(8)．松井らは，これらの結晶構

Mn の 3d5 ＋ 4s2 ＝ 7 個より 1 個少ない． Ni2Mn0.85Cr0.15Ga ( x

造転移温度が価電子数に依存することから，電子エネルギー＝0.15)の e/a は7.460である．

と結晶構造が密接に関連していることを指摘した(3)．また，

原 料 は 純 度 が 3N の Ni, 4N の Mn, 4N の Cr ， な ら び に

磁歪は磁気異方性や磁化と関係しており，電子エネルギーと

6N の Ga を用いてアーク溶解されたインゴットを，800°
Cでも密接な関係にあると考えられる．
本稿では，Ni2Mn1－xCrxGa(x＝0.00, 0.15)多結晶の透磁率

3 時間および 500 °C で 2 日間アニールしたあと急速水冷して育成された．試料サイズは 3 × 3 × 4 mm である．磁歪測定と磁歪の実験結果を紹介する．他の Ni2MnGa 系合金の磁歪は 10T CSM 磁石で 0～ 50 kOe の範囲で歪みゲージ(共和電の結果も交えて，e/a と磁歪の関係を考察する．

株 KFH
業
02120C116)を用いて行った透磁率は，零磁場

キュリー温度 TC における強制磁歪と遍歴磁性スピンゆらぎの相関において，振動数 73 Hz，振幅±0.8 kA/m(±10 Oe)の交流磁場中で測定を行った．磁化測定は龍谷大学理工学部のパルス磁場装置を用いた．

近年，高橋らにより，強磁性体の磁化などの磁性・物性量

.

を遍歴磁性スピンゆらぎ理論を用いて解析がなされている(9)．この理論により，スピンの熱ゆらぎのみならず，ゼロ
点ゆらぎも考慮することで遍歴磁性体の磁化，帯磁率，比熱

実験結果と考察Ni2Mn1－xCrxGa(x＝0.00, 0.15)の磁歪の温度依存性や磁歪などの物性量が， self consistent(自己無撞着)に矛盾

図に外部磁場が零のときの( a ) x ＝ 0.00 ，および( b ) x ＝なく説明できる．高橋の遍歴磁性の理論に基づく磁化 M と0.15 の透磁率 m の温度依存性を示す(14) ． x ＝ 0.00 では， 420

外部磁場 H の解析と考察も行われている．従来の遍歴磁性

K からの降温過程において 380 K 付近で急激な増加が観測モデルでは，アロットプロットによる磁化の解析が行われてされた．これは強磁性転移によるものであり， dm / dT の極いるが，高橋は強磁性転移温度(キュリー温度)TC 近傍での大値から，キュリー温度 TC ＝ 375 K であった．温度を降下

Md vs. H の関係が d＝5 であることを理論的に提唱した．磁させると， 260 K で「へこみ」( dip )が観測された．これは化測定から， Ni2MnGa 系や Co2VGa などのハーフメタルホ

L21 型 A 相から 3M 型 P 相へのプレマルテンサイト転移がイスラー合金でも，高橋理論に適応することが報告されてい原因である．

る(10)(11)．
高橋理論ではさらに， TC 近傍での磁歪の磁化依存性について理論的考察がなされている(9)．それによると，強制体積
磁歪 vh(磁歪の磁場依存性)と磁化 M の関係は vh∝M 4 である．これまでの磁場中での強制磁歪の研究としては松永らの論文がある(12) ．松永らは，弱い強磁性体である MnSi の強制線磁歪測定および磁化測定から磁歪と磁化の関係を研究した．彼らは，磁歪は磁場中での Mn の 3d バンドの分裂による磁化の変化によるものとし，磁歪は磁化の 2 乗に比例すると結論した．磁場方向の線磁歪(DL/L)// と磁化 M の関係
を( DL / L )// vs. M 2 でプロットした．キュリー温度 TC ＝ 29
K より高温の40 K および50 K では原点を通る直線で近似できるが，TC で直線で近似すると原点を通らず，磁化の小さい部分では磁化の 2 乗より高次の項に比例すると思われる．
本研究では， Ni2Mn1－xCrxGa ( x ＝ 0.00, 0.15 )の TC での線
磁歪 DL/L を測定し，vh＝(DL/L)//＋ 2×( DL/L)⊥ から体
積磁歪 vh を求め(13) ，磁化 M と体積磁歪 vh の相関について解析ならびに考察を行った．

.

実験について試料は，山形大学理工学研究科で育成された Ni2Mn1－xCrx
Ga(x＝0.00, 0.15)多結晶試料を用いた．Ni2MnGa(x＝0.00)

は e /a ＝ 7.500 である． Mn を Cr で 置換した理由は，これま

図1(a)x＝0.00と(b)x＝0.15の透磁率の温度依存性．
TP はプレマルテンサイト転移温度．文献(14) [T.

でに e/a＞7.500の合金は多く研究されているが，e/a＜7.500

Sakon, et al.,: Metals, 7 (2017), 410. MDPI, doi:10.3390/の合金は研究例が少ないからである． Mn と Cr は周期表でmet7100410]からの転載．



特

集

さらに温度を降下させると 195 K で急激な減少が観測された．M 相の透磁率は A 相や P 相よりもかなり小さい．この原因は磁気異方性によるものと考えられる．
M 相では双晶構造となるが，母相と比べて 10倍程度磁気異方性が大きくなる． M 相では，等温で磁場を印加させると，磁化容易軸の磁場誘起回転により，双晶磁歪という巨大磁歪が生じる．なお，この磁歪は，磁場による歪みの発生ということで，「巨大磁場誘起歪み」と称することもある． P
相では，超音波の実験により，弾性率の低下ならびに格子のソ フ ト 化 が 生 じ る こ と が 指 摘 さ れ た(15) ． 松 井 ら は ， Ni2
MnGa の透磁率や磁気トルクおよび磁歪の実験を行うこと

により，P 相で－200 ppm の大きな磁歪が発生すること，また，磁気異方性が磁歪に関係することを証明した(3)．松井ら
は M 相を正方晶として，母相の立方晶と正方晶の磁気異方性定数を各温度での磁気トルク測定により決定した．測定された異方性定数，K′
u1, K ′
u2 は正方晶の結晶磁気異方性定数
Ku1, Ku2，ならびに磁歪項 K′
l を導入して，K′
u1＝Ku1＋K′
u2

(1)

K′
u2＝Ku2－K′l(2)の関係が成り立つことを提案した．磁場が印加されているときは結晶項の Ku1, Ku2 に磁歪項 K ′l が作用し，また， TP 近傍の温度で K ′l の絶対値の増大がある．この原因は，弾性率が高温から TP に向かって急に減少する格子振動のソフト化のためであると説明されている(3)． TP に近づくにつれて

図2(a)x＝0.00と(b)x＝0.15の磁歪の温度依存性．文献(14) [T. Sakon, et al.,: Metals, 7 (2017), 410. MDPI,
doi:10.3390/met7100410]からの転載．

磁歪項 K′
l が増大により TP 付近で大きな磁歪が発生すると考えられる．
図 1( a )の x ＝ 0.00 において， TP 付近での透磁率の減少がの温度領域は，透磁率の凹みの温度領域と一致した．P 相で観測された．振幅±0.8 kA/m(±10 Oe)の弱磁場では，磁歪は 3M 構造となり A 相よりも結晶の対称性が低下すること

は数 ppm と極めて小さいため，式( 2 )の磁歪項は極めて小も合わせて考えると(7)，プレマルテンサイト転移に伴う格子さいと考えられ，結晶磁気異方性が磁気異方性の大部分を占変形と磁気異方性の増大により，磁歪量の増大が発生したとめていると判断できる．松井らの磁気トルク測定から求めら考えられる．さらに低温の M 相ではマルテンサイト終了温の大きさは，室温では約 3.5 × 102 J / m3 であるが，度 TMf＝170 K, H＝1.27 MA/m (10 kOe)で－580 ppm の磁れた K1

TP では 11.2 × 102 J/m3 に上昇する．磁気異方性が大きくな歪が発生した．M 相では低磁場の0.080 MA/m (630 Oe)でれば透磁率は小さくなるので，この K1 の急激な上昇が透磁は A 相や M 相よりも磁歪量が小さいことである．M 相では率の減少をもたらしていると考えられる． TP よりさらに降7M 双晶構造であり，ある程度の磁場を印加することで A温させると，Ku1, Ku2 が両方とも温度の下降とともに小さく

相や P 相よりも巨大な双晶磁歪が発生するが，数百 Oe 程度なっているので， TP より温度が下がると，透磁率は上昇すの弱い磁場では大きな磁気異方性のため磁気モーメントの回ると考えられる．一方，図 1 ( b )に示した x ＝ 0.15 では， TP

転が鈍いので，磁気的にはドメイン構造である双晶構造がそ以下で透磁率は顕著に減少している．e/a が異なることからのまま保たれることが原因と考えられる．一方， x ＝ 0.15 で電子状態が異なり，そのため磁性も x＝0.00とは異なっていは，200 K から230 K の温度領域で磁歪量の増加が観測されると考えられる．透磁率の温度依存性からは， x ＝ 0.00 より

た．この温度領域も x＝0.00と同様に，透磁率の減少が観測も磁気異方性が大きいことが推察される．P 相での結晶構造

される温度領域であり，このことから x ＝ 0.15 は x ＝ 0.00 と解析はまだ行われていないが，今後単結晶を育成し，A 相，

同様の機構で大きな磁歪が発生したと考えられる． TP 近傍

P 相および M 相での結晶構造解析，ならびに磁気トルク測での磁歪は－120 ppm であり，その絶対値は x＝0.00よりも定による磁気異方性の研究をすることが重要である．

小さな値となった．いずれの合金でも， A 相および P 相で

図(a), (b)に，x＝0.00および x＝0.15の磁歪の温度依存は 1 kOe 以上の磁場では磁歪が余り増加しないことが特徴

性をそれぞれ示した(14)．磁歪 l は，l＝2(( DL/L)//－(DL/である．M 相での巨大磁場誘起歪みは数 kOe から数十 kOe

L )⊥ )/ 3 の公式を用いた(16)． x ＝ 0.00 では， A 相から徐々にの比較的強い磁場が必要であり，また，応力を印加しないと降温させると，磁歪量の絶対値が単調に増加し，250 K を中元の双晶構造には戻らない．一方， P 相での磁歪の場合， 1

心に最大で－ 180 ppm の凹み( dip )が観測された．この凹み

kOe 以 下の 磁 場で 磁歪 が発 生 する こと から ，磁 場 とし て

ま て り あ 第59巻 第 1 号(2020)
Materia Japanは，フェライト磁石程度の磁場で十分であり，大気圧でも元K )および Ni2Mn0.85Cr0.15Ga ( TC ＝ 338 K )の磁場方向の線磁の状態に戻るので，磁気センサや逆磁歪発電などの応用には歪( DL/L)//ならびに磁場に垂直方向の線磁歪( DL/L)⊥ を測

P 相での磁歪のほうが適当である．

定し， vh＝( DL/L)//＋2×( DL/L)⊥ の関係式を用いて強制

Ni2Mn1－xCrxGa お よ び 他 の 実 験 結 果 を 踏 ま え て ， Ni2

体積磁歪 vh を求めた(13)．図に Ni2MnGa のキュリー温度

MnGa 系ホイスラー合金の磁歪と e/a の関係を示したものがにおける強制体積磁歪 vh の M 4 依存性を示した．vh は線磁図である(17) ． e / a が大きくなるにつれて磁歪量の絶対値

歪と同様に M 4 に比例した．図には Ni2Mn0.85Cr0.15Ga のが増加する結果となった． TP も e / a が大きくなるにつれてキュリー温度における強制線磁歪( DL/L )// と，強制体積磁高くなることも考慮に入れると，電子エネルギー，磁歪，そ歪 vh の M 4 依存性を示した．高橋理論によると， vh は M 4

して TP は互いに相関していることを示唆している．

に比例する．キュリー温度での磁化と磁場の関係 H∝M5 お

e / a が大きくなると磁歪量は大きくなり，また TP も室温よび強制体積磁歪と磁化の関係 vh ∝ M 4 から， Ni2MnGa 系に近づいていくが，TM は TP よりも急に高くなるため，290

合金では磁化ならびに磁歪ともに高橋理論に従った遍歴電子

K 付近で TM は TP と一致する．このときの e/a はおおよそ磁性を示すと結論される．

7.58 である．また， Ni2Mn1－xCrxGa においては， x  0.20 で強制体積磁歪 vh と価電子濃度 e/a の関係を考察するためは P 相が観測されなかった(14)． P 相での大きな磁歪は， Mに，Ni2Mn1－xCrxGa(x＝0.00, 0.15, 0.25)(19)の実験結果と，相での双晶磁歪のような，7M 双晶構造という大きな「ひずNi2.02MnGa0.98(17) お よ び ， Ni2.04MnGa0.96(17) の 強 制 線 磁 歪み状態」から単相に磁場誘起歪みを起こすものではなく，( DL/L)// の結果をもちいて，図に，H＝50 kOe における

3M 構造という適度な「ひずみ状態」から単相に変化する大強制体積磁歪 vh と価電子濃度 e / a の関係を作成した．図 5

きな磁歪であるので，実用性を考えると P 相の磁歪のほうにおいて強制体積磁歪 vh は強制線磁歪( DL / L )// の 3 倍とが有利である．今後は TP が室温以上の合金を探索することも重要である．


磁化と強制磁歪の関係

高橋理論では，キュリー温度 TC における磁化の磁場依存性については， TC 近傍での Md vs. H の関係が d ＝ 5 のときに原点を切る直線となる(9)．さらに，強制体積磁歪 vh(磁歪の磁場依存性)と磁化 M の関係は vh ∝ M 4 である．これまでの研究では，Ni2MnGa(x＝0.00)(18)ならびに価電子濃度を増加させた e / a の合金である Ni2＋xMnGa1－x ( x ＝ 0.02, 0.04,
e/a＝7.570 for x＝0.04)(17)は H∝M 5 の関係が成り立ち，磁場に平行方向の強制線磁歪 DL / L ∝ M 4 であった(17)(18) ．今
回は，高橋理論と同様に強制体積磁歪 vh と磁化 M の関係を調べるために，キュリー温度 TC での Ni2MnGa ( TC ＝ 375

図4

キュリー温度 TC における， Ni2MnGa の強制体
積磁歪．文献(19) [T. Sakon, et al.,: Materials, 12 (2019),
3655. MDPI, doi:10.3390/ma12223655]からの転載．

図3

Ni2MnGa 系合金の P 相での磁歪の最大値の e / a
依存性．●松井らによる多結晶(3) ．＋松井ら に よ る 単 結 晶(3) ． ■  Seiner ら に よ る 単 結晶(16) ．△，▽多結晶 Ni2＋xMnGa1－x(17) ．破線
は近似直線．文献(14) [T. Sakon, et al.,: Metals, 7 (2017),
410. MDPI, doi:10.3390/met7100410]からの転載．



図5

キュリー温度 TC における， Ni2Mn0.85Cr0.15Ga の強制磁歪の M4 依存性．●磁場に平行方向の線
磁歪 DL / L ．■体積磁歪 vh ＝ DV / V ．破線は近似直線．文献(19) [T. Sakon, et al.,: Materials, 12 (2019),
3655. MDPI, doi:10.3390/ma12223655]からの転載．

特集

本稿は，東北大学金属材料研究所附属強磁場超伝導材料研
究センターの共同利用研究で得られた成果をもとに作成され
た．

文

図6

H＝50 kOe における Ni2MnGa 系合金の強制体積
磁歪 vh＝DV/V(//H )の価電子濃度 e/a 依存性．
左から，Ni2Mn0.75Cr0.25Ga, Ni2Mn0.85Cr0.15Ga, Ni2
MnGa, Ni2.02MnGa0.98(17), Ni2.04MnGa0.96(17)．破
線は近似直線．文献(19) [T. Sakon, et al.,: Materials, 12(2019), 3655. MDPI, doi:10.3390/ma12223655]からの転載．

なっている．この結果は Ni2MnGa の強制磁歪の実験結果と同じであり(18)(19)，松永らの論文でも体積磁歪は強制線磁歪の 3 倍として考察を行っているので(12)，それに倣って強制線磁歪で比較を行った．誤差を考慮してエラーバーを付した．図 6 によると，線磁歪( DL / L )// と価電子濃度 e / a は比例関係にあると考えられる．磁歪は磁化の 4 乗に比例する
こと，e/a が大きくなるとそれにつれて磁歪の絶対値は大きくなることから，磁化および磁歪は e/a に依存しており，これらのことからも磁化や磁歪は遍歴電子磁性の特徴を示していると考えられる．
なお，強制体積磁歪はいずれも磁場の上昇とともに減少
し，負の磁歪を示している．この振舞いは Ni の TC 近傍での線磁歪および体積磁歪と同様の傾向である(20)．
スピン間の強磁性相互作用と磁化，磁歪は相関があると考えられる．今回の研究結果からも Ni2MnGa 系合金は遍歴電子磁性体であるので，今後，光電子分光やバンド理論計算結果とも照合して考察する必要がある．

.

ま と

め

本研究では，Ni2Mn1－xCrxGa の TC 近傍の磁化ならびに磁歪を測定し，両者の相関について解析ならびに考察を行った．

献( 1 ) 鹿又武編著機能性材料としてのホイスラー合金，内田老鶴
圃，(2011)．
( 2 ) S. J. Murray, M. Marioni, S. M. Allen, R. C. O'Handley and T.
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63(2010), 2736．松井正顯，中倉俊典，村上大地，吉村哲，
浅野秀文豊田研究報告，64(2011), 1
11.
( 4 ) M. Kataoka, K. Endo, N. Kudo, T. Kanomata, H. Nishihara, T.
Shishido, R. Y. Umetsu, M. Nagasako and R. Kainuma: Phys.
Rev. B, 82(2010), 214423.
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454460.
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

なるにつれて高くなることも考慮に入れると，電子エネルギ

左近拓男
1995年 3 月東北大学大学院理学研究科物理学第二専攻博士後期課程修了．博士(理学)．1995年 4 月から2001年11月東北大学金属材料研究所助手．2001年
現職
12月から2012年 3 月秋田大学工学資源学部助教授 2012年 4 月専門分野 磁性物理学(実験)◎ホイスラー合金の物性・磁性の研究．磁化，磁歪，熱量測定．

ー，磁歪，そして TP は互いに相関していることを示唆する★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

P 相の大きな磁歪については，e/a が大きくなるにつれて磁歪量の絶対値が増加する結果となった． TP も e /a が大きく結果となった．
体積磁歪 vh の実験を行い，磁化測定の結果と合わせて，
高橋による遍歴磁性スピンゆらぎ理論を用いて，磁化と体積磁歪の関係を検証した．その結果，体積磁歪 vh は磁化 Mの 4 乗に比例する結果となり，高橋の遍歴磁性理論に一致

左近拓男

山o優志

安達義也

野尻浩之

鹿又

武

する結果となった．

ま て り あ 第59巻 第 1 号(2020)
Materia Japan



Fe
Ga 多結晶薄膜の磁歪と磁化ダイナミクスに関する研究
遠

藤

恭

で，磁歪量が Ga 組成および結晶方位性に依存することか

.

は じ

め

に

ら，組成および結晶方位といった構造パラメータの制御が重要な課題となっている．

ユビキタスセンサネットワークの構築(1)に向けて，さまざ

これまでの FeGa 合金に関する研究は主にバルク合金をまな産業分野でのセンシングやモニタリング，エネルギー支用いて行われ，エネルギーハーベスティングへの応用研

援や人的健康支援等の分野でようやく実用化が開始されてい究(9)(10)(17)だけでなく，基礎研究の観点からは結晶構造と磁る．このセンサネットワークは社会インフラにおいて従来の歪量との関連性(18)(19) について報告されている．一方で，運営管理から個人や社会・経済活動を密接に結び付ける重要Fe Ga 薄膜材料に関しては，エネルギーハーベスティング

な基盤技術となっている．その一方で，現状のセンサ送信技への応用に加えてアクチュエータやセンサデバイスへの応術では電力消費が多く，電池交換等のメンテナンスが問題と用，さらに新規電磁気デバイスやマイクロ波磁気デバイスのなっている．この問題を解決する方法の一つとして，エネル

創 製 に 向 け て ， Fe Ga 単 結 晶 薄 膜(20)(27) や 多 結 晶 薄ギーハーベスティング(環境発電)が注目されている．

膜(28)(31) に関する研究開発が進められている． Fe Ga 単結エネルギーハーベスティング(2)(3)は身の回りのどこにでも晶薄膜に関しては，金属基板， GaAs や MgO といった単結ある環境中の未利用エネルギーを収穫して，電力に変換する

晶基板上にスパッタ法もしくは分子線エピタキシー法により技術である．未利用エネルギーの一つとして振動をエネルギ

膜 厚 や Ga 組 成 の 異 な る Fe Ga エ ピ タ キ シ ャ ル 膜 を 作 製ー源とする力学的エネルギーがあげられる(4)．このエネルギ

し，それらの磁歪量と高周波磁気特性について検討されてきーを電力に変換する方式は，電磁誘導(5)(6)，圧電(7)，静電誘

た．なかでも，ガルフェノールの組成に近い Ga 組成領域で導(8) ，磁歪(9)(10) の 4 種類である．なかでも，磁歪方式は，は，磁歪量が 80 ppm(23)，Gilbert 制動定数(以下，ダンピン

磁歪材料内部の磁界変化にともなって外部への漏れた分を，グ定数と記述)が0.0055(27)となることが報告されている．し巻き付けたコイルを通じて電気に変換する方式である．このかしながら， Fe Ga 多結晶薄膜に関しては，上述したデバ方式は高いエネルギー変換効率が可能であり，耐久性，耐熱イス応用に向けた， Fe Ga 膜における構造，磁歪量と高周性および小型化など他の方式が抱えている課題を克服できる

波磁気特性の膜厚や Ga 組成に対する関連性について詳細なと期待されている．したがって，材料開発を中心に研究が進検討が不十分であり，不明瞭な点が多い．したがって，筆者められている．

らは膜厚および Ga 組成の異なる幅広い Fe Ga 多結晶薄膜

エネルギーハーベスティング用磁歪材料の候補の一つとしを，DC マグネトロンスパッタ法を用いて作製し，それらのて，ガルフェノール(FeGa 合金)(11)(12)が注目されている．

構造，磁歪量および高周波磁気特性(磁化ダイナミクス)の関

な ぜ な ら ， テ ル フ ェ ノ ー ル D ( Terlfenol D, Tb Dy 

連性を詳細に検討してきた(32)(34) ．本稿では，筆者らがこ

Fe)(13)(15)に比べて磁歪量が小さいものの，靱性および強度れまで行ってきた研究の一部について紹介する．

といった機械特性に優れ，加工性もよく(16)，かつキュリー
温度が高いといった特長を有しているからである．その一方
東北大学大学院工学研究科電気エネルギーシステム専攻准教授(〒9808579 仙台市青葉区荒巻字青葉 66
04)
(東北大学スピントロニクス学術連携研究教育センター兼務，東北大学高等研究機構・先端スピントロニクス研究開発センター兼務)
Study on the Magentostriction and Magnetization Dynamics of FeGa Polycrystalline Films; Yasushi Endo(Department of ElectricalEngineering, Graduate School of Engineering, Tohoku University, Center for Spintronics Research Network (CSRN), Tohoku University,
Center for Science and Innovation in Spintronics (CSIS), Organization for Advanced Studies, Tohoku University, Sendai)
Keywords: FeGa film, saturation magnetostriction, piezo magnetic coefficient, magnetization dynamics, damping constant, statics magnetic
properties, polycrystalline structure
2019年 9 月 9 日受理[doi:10.2320/materia.59.26]



特

集

bcc 相の(110 )に起因したものと考えられる．また，観測さ. Fe
Ga 膜の構造れた回折ピーク位置は，Ga 組成の増加とともに低角側へ少しずつ移動した．この挙動は， Ga の原子半径が Fe の原子FeGa 合金は，FeAl 合金と類似した平衡状態図を有し，半径よりも大きく，結晶格子がわずかに膨らんだことによる

Ga 組成 25 at 近傍における状態図は複雑であり， A2, B2,ものと考えられる．さらに，膜厚の異なる Fe Ga 膜の構造

D03, D019, L12 など数種の結晶相が近接して存在することがをより詳細に検討するために，透過型電子顕微鏡(TEM )に知られている(35)．このことを踏まえながら，DCマグネトロ

よる制限視野回折パターン観察を行った．図からわかるよンスパッタ法を用いてガラス基板上に作製した膜厚および

う に ， 膜 厚 お よ び Ga 組 成 に よ ら ず い ず れ も bcc ( 110 ) ,Ga 組成の異なる FeGa 膜における結晶構造を検討した．図(200), (211)に由来する回折リングが観測された．これらの

に FeGa 膜の X 線回折パターンの一例を示す．膜厚の増結果から，作製した Fe Ga 膜の構造は，膜厚および Ga 組

付近
加にともない，いずれの Ga 組成においても， 2u ＝ 44 °成に関係なく，bcc 多結晶構造となっていることがわかった．

のみに弱い回折ピークが観測された．これらの回折ピークは

FeGa 膜における結晶粒径の Ga 組成による変化を検討するために，膜面内方向の結晶粒径を原子間力顕微鏡(AFM )により，膜面垂直方向の結晶粒径を X 線回折測定により観測された bcc ( 110 )回折ピーク位置と半値幅を Scherrer の式(36) にあてはめることにより評価した．膜面内方向の結晶粒径に関しては(図(a))，22.3 at以下の Ga 組成において
約 30 nm から約 20 nm まで減少し， 22.3 at 以上の Ga 組
成ではほぼ一定となった．また，膜面垂直方向の結晶粒径に

図1

膜厚(t )および Ga 組成(x)の異なる Fe100－xGax 薄膜における X 線回折パターンの一例．破線は Fe(110)の回折ピーク位置(2u＝44.7°)である．

ま て り あ 第59巻 第 1 号(2020)
Materia Japan

図2

膜厚(t )および Ga 組成(x)の異なる Fe100－xGax 薄膜における制限視野回折像の一例．

図3

50 nm 厚の Fe100－xGax 薄膜における膜面内方向の粒径および膜面直方向の粒径の Ga 組成(x)依存性．

関しては(図 3(b))，Ga 組成に対する明確な依存性は見られに減少する傾向にあるものの，それらの値は 20～100 Oe とず， 10 ～ 15 nm 程度となった．これらの結果から，作製しなり，他の軟磁性材料に比べると高くなった．このようなた FeGa 膜の結晶粒は，Ga 組成にほとんど依存せず膜面内Hc の Ga 組成による変化は Morley らの報告(30) と類似した方向に少し伸びた形状となっていることがわかった．また，結果であり，膜面内における磁壁のピニングによるものと考粒径に関しては，いずれの Ga 組成においても微細なものとえられる．Mr/Ms に関しては(図 5(b))，磁化曲線形状の変なっていることを示唆している．

化と同じように，膜厚および Ga 組成に関係なく外部磁界の方向に依存してわずかに変化した．これらの結果は，膜面内. Fe
Ga 多結晶膜の静磁気特性の結晶磁気異方性によるものと考えらえる．また，4pMs に関しては(図 5(c))，いずれも膜厚においても，Ga 組成の増

本節では， 2 節で述べたような構造を有する Fe Ga 膜の静磁気特性を評価した結果について述べる．

加とともに約 16.5 kG から約 12 kG へと減少した．これらの挙動は，不規則相を有する FeGa 合金における飽和磁化

膜厚および Ga 組成の異なる Fe Ga 膜の磁化曲線を振動のGa組成による変化(18)と類似していて，非磁性元素にあた

試料型磁力計( VSM )により評価した．それらの曲線の一例

る Ga の割合が Fe Ga 薄膜内で単調に増加したことによるを図に示す．いずれの Ga 組成においても，曲線形状は膜ものと考えられる．

面へ印加する外部磁界の方向にはわずかにしか依存しないも膜厚および Ga 組成の異なる FeGa 膜における磁歪量(l)のの，膜厚に対して異なっていた．このような挙動は他のに関しては，光てこ法による高感度磁歪測定装置(最大磁界Ga 組成の FeGa 膜においても観測され，膜面内の磁壁や磁175 Oe ，測定感度 0.1 ppm 以下，東栄科学製)(32) を用いて区構造等に由来するものと考えられる．これらの磁化曲線か

回転磁界中での磁歪によって生じる試料の伸び縮みを試料のら ， 保 磁 力 ( H c ) ， 残 留 磁 化 比 ( M r / Ms ) お よ び 飽 和 磁 化

反 り ( 曲 率 半 径 と し て )計 測 し て 評 価 し た ． l と 磁 界 強 度( 4pMs)を評価した． Hc に関しては(図(a))， 5 nm 厚の場(Hex)との関係(図)からわかるように，いずれの Ga 組成に合を除いていずれの膜厚においても，Ga 組成の増加とともおいても，l は Hex の増加とともにゼロ近傍から急激に大きくなり飽和した．なかでも，l の値がゼロ近傍から立ち上がりはじめる Hex の値と飽和し始める Hex の値は，いずれも膜厚の増加とともに増加し，一方で Ga 組成の増加とともに減少した．これらの挙動は， Hc および飽和磁界( Hs )の Ga 組
成依存性と類似した結果となった．
また，これらの l Hex 曲線を用いて FeGa 膜の飽和磁歪量(ls)と最大ピエゾ磁気係数((dl/dHex)max)を評価し，それらのパラメータについて膜厚を固定して Ga 組成を関数としてまとめた．それらの結果を図 6, 7 に示す． ls に関しては(図)，いずれの Ga 組成においてもおおむね膜厚の増加とともに増加し，30 nm 厚のときに最大となり，さらに膜厚を増加させると減少した．また，ls は 5 nm 厚の場合を除いて膜厚に関係なく， Ga 組成の増加とともに増加し， Ga 組成
25 ～ 28 at 付近で極大をとり，さらに Ga 組成が増加すると，一度減少後再び増加した．一方で， ls の値に関しては，最大で 60 ～ 70 ppm にとどまっていて， Fe Ga バルク
合金(約 350 ppm(12))や FeGa 多結晶膜(最大約 90 ppm(30))に比べると低くなった．この原因は次のように考えられる．
薄膜の磁歪量は膜中の結晶粒の方位分布(配向性)に依存する．すなわち，結晶方位分布が等方的である場合の磁歪量は，
23lisotropic＝ 5 l100＋ 5 l111(l100バルク〈100〉方向の磁歪定数，
l111 バルク〈 111 〉方向の磁歪定数)と表され(37) ，膜面垂直1方向の結晶方位が〈110〉方向である場合には l〈110〉＝ 5 l100＋4l と表される．FeGa バルク合金の磁歪量は，1 節で記5 111

述したように，結晶方位に依存し，l100 が l111 に比べて大き図4



膜厚(t )および Ga 組成(x)の異なる Fe100－xGax 薄膜の磁化曲線の一例．黒線は測定時の膜面内磁界方向を 0 °とした結果であり，グレーの実線はその磁界方向から膜面に 90°
ずらした場合に得られた結果である．

くなることが知られている(30) ．これらのことを踏まえて
Fe Ga 多結晶膜の磁歪量を考えると，結晶方位分布が等方的であれば磁歪量が多少大きくなることが予想される．これに対して，今回作製した Fe Ga 多結晶膜では，膜面垂直結

特

集

図5

膜厚の異なる Fe100－xGax 薄膜における (a) 保磁力(Hc), (b) 残留磁界比(Mr/Ms)および (c) 飽和磁化(4pMs)の Ga 組成(x)による変化．(a) と (b) のは，測定時の膜面内磁界方向を 0°とした結果であり，はその磁界方向から膜面に90°ずらした場合に得られた結果である．

晶方位が〈 110 〉方向となっているため，膜厚および Ga 組成

ンピング定数が低いことが望まれる．したがって，本節では，に関係なく磁歪量が低下したものと考えられる．また，結晶Fe Ga 膜の新規電磁気・マイクロ波デバイスへの応用を見

構造解析の観点から，作製した Fe Ga 膜の結晶粒径が小さ

据えて，これらのデバイス応用へ直結する磁化ダイナミクス

く微結晶状態となっていることにも由来するものと考えられの主要な基本パラメータの 1 つとして知られているダンピ

る．

ング定数(a)を評価した結果について述べる．

( dl / dHex )max に関しては(図)，それらの膜厚および Ga

高周波伝送線路とベクトルネットワークアナライザを組み組成による変化は， ls の場合とほぼ類似した結果となっ

合 わ せ た 広 帯 域 強 磁 性 共 鳴 ( Broadband Ferromagnetic

た．また，それらの値に関しては，10 nm 厚の場合を除いてResonance ( B FMR ))測定法(38)(41) を用いて， Fe Ga 膜にそれ以外の膜厚ではおよそ Ga 組成 24 ～ 29 at の間で最大おける 9～ 15 GHz の範囲の各周波数での S パラメータの外となり， 20 nm 厚以上の膜厚領域では 5～ 6 ppm / Oe となっ部磁界による変化を測定した．膜厚および Ga 組成に関係なた．これらの結果から， Ga 組成 24 ～ 29 at の Fe Ga 多結く，いずれの周波数においても FMR に起因するディップが晶膜の場合，外部磁界の変化に対する磁歪量の変化が最も大観測され，周波数の増加とともにディップが高磁界側へシフ

きくなることを表している．

トした．これらの観測された FMR に起因するディップに対して Lorentz 関数によるフィッティングを行って，共鳴磁界

. Fe
Ga 多結晶膜の磁化ダイナミクス( HRes )と共鳴磁界線幅( DHRes )を決定した． HRes に関しては，膜厚および Ga 組成に関係なく，いずれも測定周波数の一般に，高速動作が期待される新規電磁気デバイスやマイ二乗( f 2Res )との関係を Kittel の関係式(42) を用いてうまく説

クロ波磁気デバイスでは，デバイスを構成する磁性薄膜のダ明できる．また， DHRes に関しては，いずれの膜厚および

ま て り あ 第59巻 第 1 号(2020)
Materia Japan



図8

膜厚( t )の異なる Fe100－xGax 薄膜における最大ピ
エゾ磁気係数((dl/dHex)max)の Ga 組成(x)依存性．

図9

膜厚( t )の異なる Fe100－xGax 薄膜におけるダンピ
ング定数(a)の Ga 組成(x)による変化．

数)(43)を用いて説明できる．したがって，この関係式による実験値に対するフィッテイングを行うことにより，傾きから
図6

膜厚(t )および Ga 組成(x)の異なる Fe100－xGax 薄膜における磁歪量(l)と磁界(Hex)の関係の一例．

a を求め， Ga 組成を関数としてまとめた．それらの結果を図に示す．a は，膜厚に依存せず Ga 組成の増加とともに減少した．それらの値は Ga 組成 33.4 atの場合を除いて典型 的 な 軟 磁 性 合 金 薄 膜 ( Ni78Fe22(44), Fe89Si11(45) ) や Fe100－x
Gax 単結晶薄膜(27) の場合と比べて高く，およそ 2 倍から 7倍となった．この原因は，DHRes(0)の膜厚および Ga 組成依
存性を含めると，主に異方性分散などの磁気的な不均一性に由来するものと考えられる．また，これらの結果は，ガルフェノール近傍の Ga 組成の Fe Ga 膜では，膜厚に関係なく磁化の高周波応答がよくないことを示唆している．

.

ま

と

め

本稿では，膜厚および Ga 組成の異なる幅広い Fe Ga 多
図7

膜厚(t )の異なる Fe100－xGax 薄膜における飽和磁歪量(ls)の Ga 組成(x)依存性．

結晶膜の構造，磁歪量および磁化ダイナミクスを詳細に検討してきた結果の一部について紹介した．飽和磁歪量は Fe 
Ga 単結晶膜に比べると低く，一方で磁化ダイナミクスのパGa 組成に対しても fRes の増加とともにおおむね線形的に増ラメータの 1 つであるダンピング定数は典型的な軟磁性合加した．すべてこれらの線形関係は， DHRes ＝ DHRes ( 0 )＋金薄膜や Fe Ga 単結晶薄膜に比べて高くなった．これらの4pa
fRes ( DHRes ( 0 )磁気的不均一性， g ジャイロ磁気定gィングデバイスへ展開するためには， Fe Ga バルク合金と結果から， Fe Ga 多結晶膜からなるエネルギーハーベステ

特集同様に，薄膜の結晶方位を制御すること(すなわち，膜の結晶配向性を制御するように基板を選択すること)によって飽
和磁歪量および最大ピエゾ磁気係数をさらに増加させることが重要であることがわかった．一方で， Fe Ga 多結晶膜からなる新規の電磁気デバイスやマイクロ波磁気デバイスを創製・実現するためには， B や C といった第三元素を加えることによる軟磁性化と，ダンピング定数と磁気的不均一性の低減が必要不可欠である．
本研究に深く携わった川邉泰之氏，東北大学工学部技術部
宮崎孝道博士に謝意を表します． FeGa 膜の X 線回折測定にあたり，東北大学多元物質研究所

北上修教授，岡本聡准教授，菊池伸明助教にご協力していただきました．ここに深く感謝いたします．また， Fe Ga 膜の磁歪測定にあたり，株式会社東栄科学産業技術部
氏，森内海良一氏，佐藤茂行

修氏にご協力していただきました．ここに深く感謝いたします．
本研究の一部は，科研費基盤研究( B )( No. JP17H03226 )の補助のもと行われた．また，東北大学高等研究機構先端ス
ピントロニクス研究開発センター，東北大学スピントロニク
ス学術連携研究教育センター，東北大学国際集積エレクトロニクス開発センター，情報ストレージ研究推進機構(ASRC)の支援のもと行われた．

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(19) E. M. Summers, R. Meloy and S.Min Na: J. Appl. Phys., 105(2009), 07A922.

ま て り あ 第59巻 第 1 号(2020)
Materia Japan(20) J. L. Weston, A. Butera, T. Lograsso, M. Shamsuzzoha, I.
Zana, G. Zangari and J. Barnard: IEEE Trans. Magn., 38(2002), 28322834.
(21) A. Butera, J. L. Weston and J. A. Barnard: J. Magn. Magn.
Mater., 284(2004), 1725.
(22) A. McClure, S. Albert, T. Jaeger, H. Li, P. Rugheimer, J. A.
Schaefer and Y. U. Idzerda: J. Appl. Phys., 105(2009),
07A938.
(23) A. McClure, H. Li and Y. U. Idzerda: J. Appl. Phys., 107(2010), 09A924.
(24) A. McClure, E. Arenholz and Y. U. Idzerda: J. Vac. Sci. Technol. A, 28(2010), 969972.
(25) D. E. Parkes, S. A. Cavill, A. T. Hindmarch, P. Wadley, F.
McGee, C. R. Staddon, K. W. Edmonds, R. P. Campion, B. L.
Gallagher and A. W. Rushforth: Appl. Phys. Lett., 101(2012),
072402.
(26) D. E. Parkes, L. R. Shelford, P. Wadley, V. Hol áy, M. Wang, A.
T. Hindmarch, G. van der Laan, R. P. Campion, K. W.
Edmonds, S. A. Cavill and A. W. Rushforth: Sci. Rep., 3(2013), 1
6.
(27) B. K. Kuanr, R. E. Camley, Z. Celinski, A. McClure and Y.
Idzerda: J. Appl. Phys., 115(2014), 17C112.
(28) B. W. Wang, S. Y. Li, W. M. Huang and S. Y. Cao: J. Magn.
Magn. Mater., 320(2008), 769773.
(29) A. Javed, N. A. Morley and M. R. J. Gibbs: J. Magn. Magn.
Mater., 321(2009), 28772882.
(30) N. A. Morley, A. Javed and M. R. J. Gibbs: J. Appl. Phys., 105(2009), 07A912.
(31) Y. Yu, Q. Zhan, J. Wei, J. Wang, G. Dai, Z. Zuo, X. Zhang, Y.
Liu, H. Yang, S. Xie, B. Wang and R.Wei Li: Appl. Phys.
Lett., 106(2015), 162405.
(32) Y. Endo, T. Sakai, T. Miyazaki and Y. Shimada: IEEE Trans.
Magn., 53(2017), 2502305.
(33) Y. Kawabe, Y. Endo and T. Miyazaki: T. Magn. Soc. Jpn.
(Special Issues), 3(2019), 34
38.
(34) Y. Endo, Y. Kawabe, T. Miyazaki and Y. Shimada: J. Magn.
Magn. Mater., 487(2019), 165323.
(35) 公益社団法人日本磁気学会編磁気便覧，丸善出版，(2016),
299307.
(36) B. D. Cullity新版 X 線回折要論，アグネ，(1994), 91
96.
(37) 太田恵造磁気工学の基礎，共立出版，(1992), 237245.
(38) G. Counil, J. V. Kim, T. Devolder, C. Chappert, K. Shigeto andY. Otani: J. Appl. Phys., 95(2004), 56465652.
(39) S. S. Kalarickal, P. Krivosik, M. Wu, C. E. Patton, M. L.
Schneider, P. Kabos, T. J. Silva and J. P. Nibarger: J. Appl.
Phys., 99(2006), 093909.
(40) M. Toda, K. Saito, K. Ohta, H. Maekawa, M. Mizuguchi, M.
Shiraishi and Y. Suzuki: J. Magn. Soc. Jpn., 31(2007), 435
438.
(41) Y. Endo, Y. Mitsuzuka, Y. Shimada and M. Yamaguchi: IEEJ
Trans. Fund. Mater., 131(2011), 505510.
(42) C. Kittel: Phys. Rev., 73(1948), 155161.
(43) T. D. Rossing: J. Appl. Phys., 34(1963), 995.
(44) Y. Endo, Y. Mitsuzuka, Y. Shimada and M. Yamaguchi: J.
Appl. Phys., 109(2011), 07D336.
(45) Y. Endo et al.: Private Communication.
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

遠藤

恭

2000年 東北大学大学院工学研究科博士後期課程修了
1999年 4 月 JSPS 特別研究員
2001年 5 月 大阪大学大学院工学研究科助手(名称変更助教)2007年10月 東北大学大学院工学研究科准教授
2016年 5 月 東北大学スピントロニクス学術連携研究
教育センター兼務
2018年 6 月 東北大学高等研究機構・先端スピントロニクス研究開発センター兼務
現在に至る
専門分野高周波磁気計測，軟磁性薄膜・微粒子材料◎新規の高周波磁気計測装置の開発，高周波軟磁性材料の開発とそのデバイス応用に従事．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

科学・技術と社会の関係を考える―科学・技術から科学技術へ―

1.

柴

田

清

わしい言説が社会の人々を惑わせているように感じられる事

.

は じ

め

に

案もある．
物理学者のアルヴィン・ワインバーグ(1)は「トランス・サ

この原稿を準備している数週間前に，日本原子力研究機構

イエンス問題」という概念を提起している．「科学によっての幌延高レベル放射性廃棄物深地層処分研究センターを見学問うことはできても，科学によって答えることができない」

する機会を得た．高レベル廃棄物の処分技術は幾重もの漏洩というのがワインバーグの定義だが，若干の拡大解釈をすれ防止技術を組み合わせたものであり，相当長期にわたり小惑

ば，科学が一因となって引き起こされる問題だが，科学だけ

星の衝突でもない限り安全性を確保できる可能性があると感では解決できない問題と言える．科学技術の発達によって，じられた．しかし，それでもその処分場設置を実際に受け入このような社会における問題の頻度・複雑さは増しているよれる地域が現れるとは思えないし，実際に今現在存在しなうに思える．その一方で，科学技術の側もそれ自体の原理でい．原子力廃棄物の処分技術は科学技術に基づく合理的な解進展するのではなく，社会の影響を受けているはずである．

にたどり着いているのに，社会には受け入れられていない．

つまり，科学・技術と社会の界面で発生する問題(STS 問題，

これは，社会の側が非合理な判断をしているからだろうか．

STS: Science, Technology and Society)と言える．

社会は科学技術の専門家とは全く異なる合理性で判断をしているのではないだろうか．
科学技術の成果の多くが人間生活の安全性・快適性・利便性を向上させてきたのは間違いない．社会も変えてきた．ス

このような問題に対して，科学技術の専門家はどう対処すべきか，また専門家ではない人々はどのような態度で接すればよいのか．本誌のプロムナードという場を借りて，4 回の連載においてこの問題を考えていきたい．

マートフォンが典型的な例である．しかし，それを社会が受

初回ではまず，なぜ，社会との間で起きる問題が深刻・拡け入れるかどうかが問題となった事例も少なくない．古くは大するようになったのかを考えるために，科学技術が歴史的

産業革命時には機械化による熟練労働者の失業，不熟練労働にどのような変化(発展)を遂げてきたかを振り返り，以降，者の酷使や労働環境の悪化などに抗議して機械や工場建築物

表に示すような題材を採り上げながら，最終的には科学技を打ち壊したラッダイド運動があった．現代では，原子力発術の専門家の役割と社会の側が備えるべき素養などを考えて電や遺伝子操作作物など是非の議論が残る中を商用利用が拡

いきたい．

大されているもの，遺伝子編集による人間の能力増強，人工知能搭載の完全自動兵器など規制の対象と考えられるものも

.

科

学

ある．実際，軍事技術の削減協定は何度も締結されたし，遺伝子操作技術の開発初期においては科学者による自主的なモ

前節では「科学技術」という言葉を何の断りもないままにラトリアム規程が設けられた．本誌に関係深いところでは，用いたが， 2010 年に日本学術会議において「科学技術」でナノマテリアルによる健康被害などがこうした例として挙げは科学技術政策が出口志向の研究に偏るとの疑念を生むのられる．その一方で，非科学的な言説，あるいは科学と紛ら

で，「科学・技術」と表記すべきとの勧告がなされている(2)．

千葉工業大学社会システム科学部教授(〒2750016 習志野市津田沼 2
171)Interactions among Science, Technology and Society ―1. ``Science and Technology'' to ``Scientific Technology''―; Kiyoshi Shibata(Chiba Institute of Technology, Narashino)
Keywords: science, technology, engineering, society, expert, conflict, history
2019年 9 月20日受理[doi:10.2320/materia.59.32]



プロムナード表1

本連載の構成予定．

テーマ

トピックス

第一回 科学・技術から 科学とは，技術とは，科学技術の誕生
科学技術へ
第二回 科学技術の理解 科学的正統性の条件，疑似科学，科学技
術リテラシー・コミュニケーション

学意識に沿うところだけをつまみ食いしているということになる．それが，宗教革命や啓蒙主義の影響を受けた市民革命
を経て，脱キリスト教化される．この過程を村上陽一郎は「聖俗革命」と言っている(3)．教会の支援を離れた Scientist
たちは自らの資力や国王・領主などの支援を受け，自らの好奇心に基づき探求を進め，その成果を同好の士が集まる学教

第三回 科学技術の制御 社会的合理性，レギュラトリーサイエンス，イノベーション，テクノロジーアセ
スメント，市民参加

会で発表するようになった．それが何の役に立つのかはほと

第四回 科学技術の倫理 責任ある研究・イノベーション(RRI)，
技術者倫理，適正技術，軍事研究と公正

CUDOS と い う ア ク ロ ニ ム で 表 し て い る ． C

んど問題視されなかった．この好奇心駆動型の科学時代のエートス(性格・精神)を社会学者のロバー・ C. マートンは( Communalism )  科 学 知 識 の 公 的 共 有 性 ， U ( Universalism)真理としての普遍性，D(Disinterestedness)私的利

益への無関心， OS ( Organized Skepticism )組織的な懐疑
歴史的にはそもそも全く異なる活動であった「科学」と「技主義である．我々が現在抱く心理を追求する科学の理念的な術」が，近年では一体化したものとなり，その影響力が増しイメージに近いものであるが，プロテスタント，特にピューてきたことが， STS 問題が拡大深化する大きな原因となっリタンのエートスとの類似性が指摘されている．だとすれていると考えられている．そこで，この連載の第一回目はば，ここにもキリスト教の痕跡がうかがえる．

「科学技術」の成り立ちについて，そもそもの「科学」と「技術」の変質を順に見ていきたい．



科学の歴史

しかし，そういった中でも，徐々に発見された自然に関する知識が役に立つことが気づかれるようになっていった．
1620 年にフランシス・ベーコンは「知は力」と表現し，自然現象の理解が人間の意図する結果を生み出すのに役立つこ「科学」は Science の邦語訳とされる． Science の語源はとを主張した．タランベールやディドロを中心に 1751 年か

ラ テ ン 語 の Scientia で あ り ， 知 識 や 学 問 の 総 体 を 意 味 すら刊行が始まった「百科全書」では当時の科学と技芸の知識る．本節では紙幅の都合上，「科学」を今日的な意味での自が総合的にまとめられている． 1820 年代にはドイツのギー

然科学に限定して，その内容(自然の理解の仕方)が決して一セン大学にリービッヒの化学実験室が設置され，そこから有貫したものでなく，時代と主に変遷してきた様子を手短に振機化学の発展が始まった．しかし，後述するように 18 世紀

り返ってみる．

半ば頃からの産業革命を担った起業家技術者は，こういった古来人間は様々な自然現象に関してなぜそのようなことが科学活動とはほとんど無縁であった．産業革命を実現した機起きるのか理解したいと考え続けているようだ．まずそのよ

械類の作動原理の理解は，技術の実用化の後を追いかけていうな自然の探求は多くの場合，神話や宗教の体系による解決

る．蒸気機関に関する熱力学がその例である．科学知識が技となったが，古代ギリシアにおいては論理的な一貫性をもっ術に活かせることを示したエポック・メイキングの例とした説明の仕方が追求された．その意味で「科学」の源流は古て，カローザスによる高分子の発見からのナイロンの発明，

代ギリシアに求められる．アリストテレス，アルキメデス，

マンハッタン計画による原子爆弾の開発が挙げられることがユークリッドらの知識は都市国家とその市民階級の衰退とと多い．勿論それ以前にも科学知識の技術への応用成功例はあもにアラブ世界に伝えられ，それが十字軍遠征やレコンキス

るが，ここに科学と技術の大規模な一体化が実際に始まった

タ運動を通じてルネサンス初期に欧州世界に発見された．

とみてとれる．その後の半導体技術や遺伝子工学の発展はそ

一般に，現代の自然科学の基礎は， 16 世紀半ば頃から 17の典型である．このように国家や産業が，科学を金の卵を産

世紀のコペルニクス，ケプラー，ガリレオ，ニュートンらにむ鶏のように認識しはじめ，科学者の雇用，研究所の設立によって築かれたと認識されている．キリスト教教会の知的支動き出したのは 20 世紀になってからである．第二次世界大配から脱却する「科学革命」と言われる．しかし，彼らの自戦後には，ヴァネヴァー・ブッシュが「科学―その果てしな然の理解は現在の我々のそれとは大きく異なっている．つまきフロンティア」で，基礎研究が応用開発を導くもの(リニり，彼らはまだキリスト教神学の枠の中にあり，彼らが目指アモデルと言われる)としてその重要性を訴え，政府や産業したのは神が創造したはずの自然の美しい秩序を明らかにす

界はそれに基づく投資を拡大した．事実，国家が宇宙開発なることであった．ニュートンが生涯にわたって最も力を入れどによる威信向上，軍事的優位性の確保のために科学に対すていたのは，賢者の石による錬金術や聖書の解釈であったと

る積極的な投資を行った結果，様々なスピンオフ技術が生まい う ． Scientist と い う 言 葉 が 生 ま れ た の は 1830 年 代 で あれている．

り，この時代の自然探求は自然哲学と呼ばれるものであった．従って，ニュートンらの時代には現在のような科学の活

科学の制度化，専門家の誕生

動は無く，彼らは「科学者」ではなく，神学者あるいは哲学

科学革命期に自然哲学の推進の場となったのは，大学では者であった．我々は彼らの活動の中に，現在のわれわれの科なく学会であった．自然探求の最古の学会は， 1603 年にロ

ま て り あ 第59巻 第 1 号(2020)
Materia Japan

ーマで創設されたアカデミア・デイ・リンチェイ(山猫アカ

在する．

デミー)と言われる．大学は，哲学(自由七科文法，修辞技術とは何かを簡単に言ってしまうと，目的実現のための学，論理学，算術，天文学，幾何学，音楽学)を基礎課程と手段ということになる．しかし技術を厳密に規定しようとすした上に神学，医学，法学の専門家養成を行っていて，新しると，技術には幅広い領域があり，意外に難しい．我が国にい自然探求の場は好事的なパトロンが自宅に学者を招いて主おいては，技術の本質に関する「労働体系説」と「意識的適催するサロン的な集まりだったようである． 1662 年に発足

用説」の対立論争や，技術の善用・悪用に関連して価値中立したロンドン王立協会では，このような自然探求の同好の士論の当否，技術進歩の駆動力に関して技術本質論(あるいはが集まり，お互いの知見を紹介し合った．(1665年創刊の機

技術決定論，自立的存在論)と社会構成論などの議論があっ

関誌「フィロソフィカル・トランザクション」は今日まで続た．これらは技術が社会的にどのように構成され，技術を社く最古の学術雑誌である．）王立とは言うものの，会員会費に会がどのように管理・制御していけばよいかを考える上ではよる運営であった．このような学会を支えたのは世俗の新興基礎となるものだが，そもそも技術は二者択一的に割り切れ

富豪，啓蒙君主，貴族らであり，旧来の教会勢力と対抗するるような存在ではなく，状況に応じてどのような性格が強く側であった．科学が社会と全く独立に進展するものではな現れるかが問われるものだと筆者は考える．詳細な議論は別

い，社会的影響を受けるという一例である．当時の自然哲学の機会に譲りたい．

者らの多くは，ダーウィンのように資産家で研究に専念できた者もいたが，役人や新教の聖職者が本業であるアマチュア

技術の担い手(語源的意味は真実を愛する人)であった．それが次第に探求

自然科学(哲学)の知識がモノ作りに応用されるようになっの深化に伴い活動が高度化し，分野を限定した教育・訓練をたのは，化学の場合 19 世紀の後半，物理の場合 20 世紀の初受けてからでないと参入できない専門化が進んだものと考え

め頃，生物の場合は 20 世紀の後半である．それまでは科学られる．専門家の養成には専門家が必要であり，ピアレビュ(自然哲学)と技術は全く異なる社会的階層に担われてきたーに基づく研究成果の妥当性評価，教育・研究機関での任用

し，当然その養成手段も別々であった．

や研究者の褒賞・顕彰の仕組みが同志の共同体であるかのよ古代ギリシアの市民たちが自然探求に関わっていた時に技うに出来上がった．これに国家や産業がスポンサーとして関術を担っていたのは奴隷階級であり，その伝統は根強く残っ与することで，自然哲学・科学が社会制度として成立してきている．例えばドイツの総合大学には工学部は設置されていた．

ない．産業革命をけん引した起業家たちの中には，正規の科

前述のように，「科学」は Science の和訳語と認識されているが，この訳語を作った西周としては，様々な専門に分科

学(自然哲学)の教育を受けたものはいない．技術の養成は基
本的に徒弟関係に拠っていた．

した学問と認識していたといわれている．「理学」よりも大学として技術教育を正式に課程に採り入れたのは我が国「科学」が日本語として普及した背景には，その見方が支持の帝国大学(東京帝国大学)である．高等教育機関での技術教されたことがうかがえる．このことは，後述するように当時育についてはフランスのエコールポリテクニックやドイツのの我が国が科学と工学(技術)を区別なしに明治社会の建設に

TH(Technische

取り込んだことにも繋がっている．もっとも， Scientist とは高等教育機関であっても「大学」を名乗っていない．技術いう言葉を編み出したヒューエルは，それ以前に自然哲学がは知的伝統の象徴としての大学が扱うべきものではないとの物理や化学など専門分化が進み，分野の専門家が出現してい考えが根強く残っていたことがうかがえる．明治初期の政府た状況を受けてそれら専門家の総称として Scientist と名付が欧米の科学を輸入するにあたって，工学を法・文・医・理けたらしいので，西の翻訳は極めて的を射たものなのかもし

学と同列に扱ったことは，富国強兵・殖産興業を急ぐ必要性

れない．

だけでなく，伝統的に我が国の文化が究極的真理を求めず，科学は勿論科学自体の論理や天才のひらめきで発展の方向が選ばれるが，同時に社会の影響も受けて進展してきたことを確認しておきたい．

Hochschule)のような例があるが，これら実利を優先するものであったことを反映しているのだろう．


技術と工学，エンジニアリング

ところで「技術」に近接する言葉に「工学」がある．「工

.

技

術

学」の語源は少し調べてみた範囲ではよく分からない．
1871 年には技術官僚養成を目的に工部省に工学寮が設置さ「技術」に関しては，目的実現のための手段という基本的

れ， 1877 年に開成学校と東京医学校の統合により発足したな役割は，人類の歴史を通じて変わっていないように思え

旧東京大学に遅れて工芸学部が設置されたから，明治初頭にる．すなわち，人類誕生以来と言ってよいくらい，ヒトは道

おいては「工学」という概念が成立していたと思われる．一具を用い，生活の質(安全性・利便性・快適性)を高めてき

般に「工学」は Engineering の邦訳語とされるが，両者にはた．その意味で，科学と違い技術は，生物種としてのヒトを微妙な差があるように思われる． Engineering の語源は， 5

人間たらしめてきた要因の中でも大きなものであり，その進

世紀ごろの要塞建築家・兵器製作者(ingeniator)が開発した

展の緩急はあるものの，どのような時代・地域においても存

新技術や，「発明の才に富む知性」を意味する ingenium で

プロムナードあるとされる．技術が目的達成のための個々の手段・手法でて程度の差はあれ，所定の目的の実現を目指す活動であるのあるのに対し，複数の技術を組織してより大きな目的を実現だから，「科学の技術化」が志向されていると言ってよい．

する営為を Engineering というと考えられる．現代日本語の(一部にはそれが技術化した科学が「工学」であるという言「エンジニアリング」は業態を表す際にも用いられる．一般

い方もある．）

財団法人エンジニアリング協会は「エンジニアリングは，細.

分化，専門化した『技術』と『知識』を一定の社会目標(の科学技術の成立

達成)に向けて結集し，新たな社会システムの構築やイノベーションに貢献する活動です．」と言っている(4)．一方で，「科学技術」は日本語独自の表現であるらしい．英語で「工学」は学問でありエンジニアリングに含まれるような業

Science and Technology あ る い は Science and Engineeringの意味合いは薄く，人工物に関する知識体系のように思われというと，and で繋がれているということはそれぞれ相容れる．技術についても， Technology の邦訳語とされているない概念を示していることになる．「科学技術」という言葉が，元々は西周が Mechanical Art に充てた訳語であり，技の意味は，科学に立脚した技術あるいは両者が一体に融合し術と Technology にはニュアンスの違いがあるように思えたものと，科学と技術の単なる並立の表現の二通りに取れる．また「論理」を意味する logy が語尾についていること

る．そもそもこの言葉は第二次世界大戦直前の我が国の技術を考えれば，Technique が技術で Technology は技術学と言官僚たちによる発明によるものであって，その時点から科学った方が適切な気もする．

と技術という意味と科学的技術という意味の双方を使い分け




科学と技術

技術を科学と対比させてみるといくつかの際立つ特徴があていたようである．その背景には明治以来の文官支配を打破したいという技術官僚の思いと，当時の国家主義的な政策目
標実現のための総動員体制がある．その実現のために科学をる．箇条書きで列挙してみる．

担当する文部省と技術を担当する商工省の縄張りを逃れる方

技術には解決すべき課題があり，多くの場合その課題は外策として「科学技術」という言葉が生み出されたようであ部から依頼される．(科学は依頼に応える必然性を持たなる(5) ．ただし，科学技術の英訳を Science and Technology

い)とすると両者並立の意味になってしまうので注意が要る．日

技術は問題を解決しなければ存在意義がない．解決さえで本語の「科学技術」が意味する科学と一体化した技術はきればなぜ解決できるのかの理屈はどうでもよい．別の言

Scientific technology，技術を支える科学は TechnoScience

い方をすれば，技術は現象が分かっていなくても目的を実ということがあるようだが，それほど馴染んだ言葉ではな

現できなければならない．(科学では不明項を残さないこい．個人的な印象だが，欧米でも Science と Technology あとを追求する)同じ目的を達成するために複数の技術があり得る．(科学では唯一解を追求する)

るいは Engineering はかなり曖昧に使われているように思える．
とはいえ，既に見てきたように，科学が技術の役に立つ，

技術では多くの場合，複数の目的を同時に満たすことが要

そして技術は科学の対象となることは明らかであって，社会求される．品質・コスト・納期が代表的な要素であり，トからは両者が一体化したものと見られるのが普通であろう．

レードオフ関係にあることが一般的である．依頼者の欲がまた，科学者であるのか技術者であるのか自分でも判別でき

深いと，そのすべてを最高レベルで達成することは困難

ない専門家も多いはずである．科学の立場から見れば，学問で，それらのバランスをとることが技術者のセンスになのための科学から国家・産業のための科学に変容し，国家政る．(科学では，部分的な解でも許容される)

策や市場原理に支配され，学問としての自主・自立性を失い技術では天然の材料を利用する限り不均一な物体を扱わざつつあるのではないか．

るを得ないし，製造物を使用する環境も空間的時間的に変ギボンスは知識生産のモード(様式)が変わったとしてい化する．(科学では，理想化された均一の対象を扱うこと

る(6)．すなわち，従来は知的好奇心に基づいて真理の探究をが多い)

自主的に志向していた伝統的な科学研究のモード 1 であっ人間が間違いを犯すことは避けられないので，技術はそれたのが，外部から与えられた課題の解決を志向する請負型のにあらかじめ対処しておくことが求められる(科学では，

モード 2 の研究様式が主体になってきたという．勿論モー

誤りを指摘される可能性・論理性を有することが求められ

ド 1 が無くなったというわけではないが，公的な支援を受る)

けるのは容易ではなくなっている．科学技術の外部からは何いずれにせよ，既に見てきたように「科学」と「技術」はか役に立つ(搾取可能な)ものはないか，内部からは何か売り一体化し，区別がつきにくくなっている部分がある．一方

物になるものはないかと探られる状況になっているのではな

で，ニュートリノの観測でノーベル物理学賞を受賞した小柴

いか．

が言うように「何の役にも立たない」と公言する研究も存在

第 2 節でマートンの CUDOS を紹介したが，それは 20 世している．純粋な科学から解決すべき課題が明確な技術まで

紀前半の「科学」の時代における専門家のエートス(称賛さ幅広いスペクトラムが存在するとみるべきであろうが，総じれるべき価値)であった．そのような専門家のエートス(理ま て り あ 第59巻 第 1 号(2020)
Materia Japan想)が科学の技術化によってどう変わったか，物理学者のジョン・ザイマンはマートンに倣って現代の現実を PLACE となお，本稿の執筆に当たっては，文中で引用した以外に，
村上(7)，池内(8)，古川(9)の著作が参考になっている．

表現している．それは P(Proprietary) : 知識資源の資産階級

文による私的所有化，L(Local) : 真理の適用範囲の局所化，A

献( Authoritarian ) : 権威による知の制御， C( Commissioned ) :権力や資本からの要請受託，E(Expert) : 専門家としての振る舞いへの期待であり，研究資源と業績の獲得のため権威におもね，時流に従う研究者の態度を皮肉を込めて表している．

.

社会との関係

科学と技術が融合することによって社会的な影響力が増大した．また従来の社会の文化では想定できなかったことが実現できるようになり，勿論好い効果ももたらしているが，そのスピードが速いので社会の側の理解や是非判断が追い付かない．社会的な立場によってネガティブな影響を受けること( 1 ) A. Weinberg: Minerva, 10(1974), 209222.
( 2 ) 日本学術会議総合的な科学・技術政策の確立による科学・技術研究の持続的振興に向けて，(2010)．
( 3 ) 村上陽一郎近代科学と聖俗革命(新版)，新曜社，(2002)．
( 4 ) エンジニアリング協会https://www.enaa.or.jp/about/whats(2019.9.20参照)( 5 ) 大淀昇一技術官僚の政治参画，中央公論社，(1997)．
( 6 ) M. ギボンス，小林信一(訳)現代社会と知の創造―モード論とは何か，丸善，(1997)．
( 7 ) たとえば，村上陽一郎科学・技術の200年をたどりなおす，NTT 出版，(2008)．
( 8 ) 池内 了科学技術と現代社会，みすず書房，(2014)．
( 9 ) 古川 安科学の社会史，筑摩書房，(2018)．
(次号へ続く)★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
1980 年もある．科学と技術の融合の過程で，それぞれの担い手の養成がオープンになり，大衆化の可能性が開かれた一方で，専門知識領域としての深化は専門家の蛸壺化，外部との隔絶を引き起こしている．科学技術の個々の中身は，その分野の訓練を受けた専門家でなければ容易には理解できないものになっている．と言って，非専門家は専門家の言いなりにそれを受け入れれば良いとは言えない．次回以降，そのために考慮すべき事項に触れていきたい．



柴田

清

東北大学大学院工学研究科材料化学専攻博
士前期課程修了
新日本製鉄，東北大学素材研，海上技術安全研究所などを経て 2007 年より千葉工業大学教授，博士(工学)
専門分野材料プロセス工学，環境工学，リスク科学，科学技術社会論◎鉄鋼・非鉄製錬および関連環境技術の研究開発に携わったのち，環境などの技術リスクにかかわる研究に従事する一方で，科学技術と社会の関係に関心を持ち続けている．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

プロムナード焼結の基礎―理論的背景から実際まで―
．通電支援焼結の展開
吉

田

英

弘

これまで見てきたように焼結に関する研究は，二粒子モデ

粉末成形体に印加される(1)(3) ． SPS でパンチを通して印加ルに代表される単純な物理モデルでの等温拡散過程に基づくされる電圧および電流の値は，当然ながら焼結しようとする

解析から，より現実的な部材形状・昇温過程・組織変化に対材料のサイズや材料物性，焼結条件に依存するが，概ね 4～

応するシミュレーション解析にまで至っている．一方，新た20 V，500 A～40 kA の範囲である．

な焼結手法として通電支援焼結技術が近年格段に進歩・普及

SPS ではチャンバー内全体ではなく，ダイスとパンチのし，セラミックス材料に対する電場ないし電流印加による焼みが加熱される．加熱すべき領域の熱容量も相対的に小さい

結緻密化の促進が見出されようになった．特に，通常の焼結

た め， 加 熱・ 冷 却速 度は 通 常 50 ～ 100 °C / min ， さら に 数

技術では必ずしも製造が容易でなかった微細組織や機能を有百°C / min という高速昇温・降温も可能である．またグラフする焼結体の創製が多数報告されるようになっている．しかァイト製のダイスおよびパンチを用いているため， 2000 °Cしながら，焼結緻密化やそれに関連する物質輸送現象におけという超高温で焼結を実施することもできる．ただし SPS

る電場ないし電流印加の影響については必ずしも全容が明か

中の温度を精度良く制御することは必ずしも容易ではない．

されているとは言えず，そのメカニズムについても不明な点

その要因は，焼結中のダイス内の温度計測の困難さに起因すが多い．焼結における通電効果の解明については今後の基礎る．現況， SPS の温度制御は，放射温度計によるダイスま研究の進展が俟たれるが，一方で一部の通電支援焼結技術

たはパンチの表面温度に基づいて行うことが一般的である．

(例えばパルス通電加圧焼結， 1.2.3 節参照)は既に工業的実SPS では昇温と同時に一軸の機械的圧力を加えることに用化に成功しており，さらなる発展が期待されている．本稿

より，ホットプレスおよび熱間等方圧加圧焼結(hot isostatic

では，第一回で紹介した通電支援焼結のうち，パルス通電加pressing, HIP)と同様の原理(2.4節参照)で高密度化が促進さ

圧焼結(spark plasma sintering, SPS または pulse electric

れる．圧縮応力は通常 20 ～ 100 MPa の範囲だが， SiC 製ダ

current sintering, PECS)と電場支援焼結・フラッシュ焼結

イス等を用いることで，数百 MPa ～ 1 GPa の超高圧の印加を中心に，その焼結技術の特徴とメカニズムを概観する．

も実現できるようになっている．近年では，高密度の焼結体を得る上で，印加圧力も高度に制御するべき重要な制御パラ

・ パルス通電加圧焼結(SPS)

メーターとなっている(4)．

・・ 焼結技術の概要と焼結パラメータ

・・ SPS による緻密化のメカニズム

図 1.5 に示した通り， SPS 装置はホットプレス( hot press-

SPS における緻密化プロセスは，通常焼結と同様に三段ing)と同様にチャンバーと加圧システムから構成されるが，階に分けて考察されることが多い(4)．焼結の初期段階は原料

加圧治具は同時に真空チャンバー内での電極としても機能す

粉末の充填，中期段階は原子拡散に起因するネック形成と粒る． SPS では通常，グラファイト製のダイスおよびパンチ

界すべり，後期段階は主に粒界を通しての閉気孔の除去であに原料粉末を封入し，真空中で圧縮応力が印加される．同時る．焼結中に印加される圧縮応力は，この第一段階での粉末に，直流パルス電流がパンチを通してパンチ・ダイスおよび充填だけでなく， HIP と同様に緻密化に対しても大きく寄東京大学大学院工学系研究科マテリアル工学専攻教授(〒1138656 東京都文京区本郷 731)
Fundamentals of Sintering: ―Theory and Practice― . Development of Electric Currentassisted Sintering Techniques; Hidehiro
Yoshida(School of Engineering, Department of Materials Science, The University of Tokyo, Tokyo)
Keywords: sintering, powder, ceramics, high temperature, diffusion, densification, polycrystal, grain boundary
2019年11月11日受理[doi:10.2320/materia.59.37]

ま て り あ 第59巻 第 1 号(2020)
Materia Japan速の粒界すべり( Zr4＋ または Y3＋ カチオンの体拡散が，粒与するとされる．
SPS の緻密化挙動は，ホットプレスや HIP と同様の緻密界・粒子表面における点欠陥生成反応等により制限される)化速度式に基づいて解析することが可能である． SPS におによって進行するとされた．さらに 1050 °C ～ 1125 °
C の高温ける電場ないし電流の主な目的は通常，ジュール加熱である

領域では，応力指数は2.9～4.8と大きくなり，転位の上昇運とされる．焼結の初期段階では，原料粉末の電気伝導率が低動が律速する高温塑性変形(転位クリープ)によって緻密化がいため，粉末成形体よりも先に(通常グラファイト製の)パン

進行するとされた．

チとダイスの温度が上昇する(5)．成形体の温度は，ダイスと以上 の よう に， SPS の 緻 密化 挙 動は ， ホッ ト プレ ス やパンチの温度上昇によって加熱される．粉末成形体の温度上

HIP と同様の緻密化速度式による解析が可能である．見方

昇に伴い，成形体を流れる電流値(電気伝導率)が増加し，ジを変えれば，応力印加の効果を除くと，電場ないし電流印加

ュール加熱による温度上昇によって焼結緻密化が進行するとによる付加的な緻密化への効果は大きくはないと考えること考えられる(5)．

もできる．実際，森田ら(7) は， MgAl2O4 の焼結における通ここで SPS の高密度化プロセスの速度論的解析の例を挙

電効果の有無を検討するため，同じ昇温および印加応力条件

げておく(6)．外部負荷の有無にかかわらず，焼結中の物質移でホットプレス焼結と SPS 焼結を実施し，その緻密化挙動

動は，高温クリープ変形で発生する物質移動と類似していを比較した．その結果，SPS，ホットプレスのいずれの緻密

る．定常状態のクリープひずみ e は，次の構成方程式で記述

化曲線もほぼ重なることが分かった．この結果は，MgAl2O4 の焼結緻密化において通電はジュール加熱以外の

される．
p

n

( )( )deqmb b＝ ·e＝A
dt
kT G

s
m

(1)

付加的な効果は持たないことを示唆するように思われる．一方，著者らの研究によれば， Y2O3 ではむしろ有意な通電効

ここで ·e はクリープ速度， t は時間， A は定数， q は拡散係果が認められており，Y2O3 の SPS 中の粒成長が通常焼結比

数， m は剛性率， b はバーガースベクトル， k はボルツマン

べて大幅に加速されていること，また電子エネルギー損失分

定数， T は絶対温度， G は粒径， s は巨視的な印加応力， p

光法(EELS)分析により， SPS によって得られた Y2O3 緻密

および n はそれぞれ粒径指数と応力指数である．ホットプ

体は真空中または空気中で焼結された Y2O3 と比較して還元レスにおける緻密化速度式を基に， SPS の後期過程におけ状態にあることが報告されている(8)．さらにホットプレスとる相対密度 D の時間変化は次の様に書かれる．

SPS を比べてみると，図.に示すように Y2O3 ではホット

1 dD BFmeffb
＝
D dt
kT

p

seff nmeff( )( )b
G(2)

プレスと比べて SPS の方がより速い緻密化速度および相対密度を得た．これらの結果は， Y2O3 において通電はジュー

ここで B は定数，seff は粉末成形体の相対密度を考慮した粒ル加熱以外の緻密化促進効果を持つことを示唆している．す子接触部の有効応力(2.4節，HIP での隣接粒子間の接触部のなわち，パルス通電加圧焼結における電場ないし電流の役割

有効圧縮圧力(式(2.6))と同様)，meff は粉末成形体の相対密度を考慮した有効剛性率である．焼結中の粉末成形体の空隙率を考慮して，式( 2 )は次のように書きかえられる．
1 1 dDexp(－Qd/RT )＝K
meff D dt
Tpn(Gb ) (sm )
eff

(3)

eff

ここで K ＝ BbF0 / k は定数( F0 は拡散係数の前指数項)， Qd
は緻密化の律速過程の活性化エネルギーである．導出の詳細は文献を参照されたい．式( 3 )から，パラメータ p, n，および Qd は SPS における粉末成形体の焼結緻密化のメカニズム
によって決まる値であり，実験的に求めることができる．例
えば，原子拡散によって緻密化が進行する場合，緻密化速度
は有効圧縮応力に比例し，応力指数 n ＝ 1 となる．このとき，緻密化速度の活性化エネルギーは粒界拡散や体拡散といった律速する拡散経路の活性化エネルギーを反映した値となる．温度が上昇すると，塑性変形(べき乗則クリープ)が緻密化に寄与する可能性があり，このとき応力指数は 3 以上の値を取るとされる．
例えば Bernard Granger ら(6) によれば， 3 mol  Y2O3 安
定化正方晶 ZrO2 多結晶体(3Y TZP)において上述の解析を行った結果，焼結温度が比較的低い場合にはホットプレスと同様に拡散による緻密化機構が主体であり，また焼結温度域が950°
C～1000°Cでは応力指数 2 と見積もられ，界面反応律



図4.1

Y2O3 における，パルス通電加圧焼結(SPS)とホ
ットプレスとで焼結した場合の緻密化曲線の比較 ． SPS ， ホ ッ ト プ レ ス と も に 焼 結 温 度 は
850 °C ，昇温速度 10 °C / min ，印加圧力 83 MPaとした．炉内温度(右縦軸)を併せて示す． SPSの方が，緻密化開始温度，緻密化速度，最終到達密度のいずれもホットプレスよりも上回ることが分かる．

講義ノート

は，材料の誘電率や伝導キャリア等によっても変化する可能

昇温速度を低く抑えることが非常に有効であることが明らか性があり，今後のさらなる研究とメカニズムの解明が俟たれとなっている． Kim らは， SPS での昇温速度について 2 ～

る．

100°
C/min の範囲で実験を行い，昇温速度を遅くするほど焼・・ SPS における昇温速度の影響

結体の平均粒径と残留気孔率を抑制すると共に，焼結体の光透過率を向上することを示した(11) ．昇温速度低減の効果

SPS における急速昇温は，材料の焼結を促進する上で有は，特に 10 °C / min 以下で顕著であった．従来，多結晶体の利な点であるとされている(9)が，高速昇温が焼結体の最終密透光性を低減させる主要因(光の散乱源)の一つとして粒界の度の向上や組織の微細化に常に有効であるとは限らないこと存在が挙げられ，焼結体の粒成長を促進し単位体積当たりのを示すデータも数多く示されている． SPS において，昇温

粒界面積を減少させることが焼結体の透光性向上のための常速度が及ぼす焼結体の微細組織および材料特性への影響につ套手段であった． Kim らの報告は， SPS の昇温速度低減にいてはまだ明らかになっていない点も多々あるが，今後の重より焼結体の粒成長抑制と透光性向上を両立させるという，

要な研究課題の一つとして本稿に現況をまとめておく．

二重の意味で従来の知見を覆す結果となっていることは非常

SPS における焼結条件と焼結体の微細組織との関係は，に興味深い．

特に Al2O3 多結晶体において多数報告がなされている．例え結晶粒の微細化および到達密度の向上を図る上で， SPS

ば Shen らは(10) ， SPS による Al2O3 の焼結において，焼結での昇温速度が遅い方がむしろ有効であることは，Al2O3 だ

温度や焼結温度保持時間，焼結温度までの昇温速度，圧縮応

け で な く ， MgAl2O4(12) や Y2O3(13) で も 報 告 さ れ て い る ．

力，電流波形といった様々な焼結条件下での焼結緻密化や粒SPS における昇温速度の低減が緻密化に有効であるという成長挙動への影響を系統的に調査した． Shen らによれば，

理由については明確にはなっていないが， Kim らは速やか

昇 温速度 50 ～ 350 °C / min では 相対密度 99 以上 の緻密なな昇温を目的として比較的大きな電流を流した場合，材料内

Al2O3 焼結体が得られたが，それ以上の昇温速度では焼結体部の点欠陥生成が促進され，粒界ないし粒内の残留ポアとなの最終密度はむしろ減少に転じるという，通常考えられていって緻密化を妨げる可能性を指摘している(14)．

る昇温速度の効果とは異なる結果が得られた(図.)．例え

・ 電場支援焼結ば昇温速度 600 °C / min の場合，焼結温度 1400 °C では相対密度は 99 から 90 まで減少していた．一方，昇温速度の増加と共に焼結体の平均粒径は(通常考えられている通り)減少

電場支援焼結(electric fieldassisted sintering technique;していた．昇温速度の上昇は焼結中の粒成長の抑制には効果

FAST)は，1.2.3節で述べたように，セラミックスの粉末成があるものの，焼結体の相対密度の向上には必ずしも反映さ

形体に，数 V/cm～数十 V/cm の一定の電場を印加しながられない模様である．

昇温するという手法であり(15)，電場印加によって緻密化が実際，緻密な Al2O3 多結晶を得るにはむしろ低い昇温速度促進される効果が幾つかのセラミックス材料において認めらの方が有効であることが他の報告でも指摘されており，とりれている．パルス通電加圧焼結とは違って無加圧焼結であわけ微細結晶粒からなる透明 Al2O3 多結晶体を得るのには，り，また伝導体のダイス・パンチを用いず直接試料に電場を印加するため，材料の電気伝導率に従って限られた電流値しか流れないことから，電場の効果が支配的であると考えられる．
Ghosh らは，焼結鍛造により得られた 3Y TZP に 1300°
C×10 h の熱処理を施す実験において，4 V/cm の弱い直流電場を印加すると，電場無印加の場合と比べて熱処理後の平均
粒径が 20 ほど低減することを報告した(16) ．さらに 20 V /cm の直流電場下におかれた 3YTZP の粉末成形体を一定速度で昇温した場合，緻密化曲線が低温側にシフトすることがYang らによって初めて示された(17)．
Yang らは， SiC 製治具に懸吊したドッグボーン形状の3Y TZP 粉末成形体に Pt 線電極を取り付け，大気炉内で昇温速度11°
C/min にて1500°
Cまで昇温し，直流 20 V/cm の電図4.2

様々な条件下での SPS により得られた Al2O3 焼
結体における相対密度(左縦軸，黒丸)および平均粒径(右縦軸，白丸)の昇温速度依存性(10)．昇温速度 50～350°
C/min では相対密度99以上の緻密な Al2O3 焼結体が得られたが，それ以上の昇温速度では焼結体の最終密度はむしろ減少に転じている．

ま て り あ 第59巻 第 1 号(2020)
Materia Japan

場印加または無印加(通常の無加圧焼結)とで緻密化挙動を比較した．図.に， Yang らによる電場無印加および印加下での 3YTZP の緻密化曲線を示す(17)．直流電場の印加により，緻密化曲線が低温側に 60 °C ほどシフトしていることが分かる．通電試料における電気伝導率は通常の TZP におけるイオン伝導率と一致しており，ジュール加熱による温度上図 4.320 V / cm の直流電場印加および無印加(すなわ
ち通常の無加圧焼結)での 3 mol  Y2O3 安定化
正 方 晶 ZrO2 多 結 晶 体 ( 3Y TZP ) の 緻 密 化 曲線(17) ．電場緻密化が昇温速度は 11 °C / min であ
った．

図 4.4
昇は 10 °
C 以下であると見積もられた．また，電場印加下で得られた焼結体では，通常の焼結体と比べて平均粒径が 6割程度にまで微細になっていたという．このことから，電場

セラミックス粉末成形体に一定の直流ないし交
流電場を印加しながら，一定の昇温速度で炉内温度を上昇させた場合の，炉内温度に対する(a)電圧，( b )電流，および( c )相対密度(緻密化曲線)の模式図．

印加による焼結緻密化速度の上昇は，粒成長の抑制に起因するとされた．
このように電場支援焼結は焼結緻密化をより低温で促進する 効 果 が あ り ， TZP 以 外 に も Y2O3

(18)

や TiO2(19)装置の構成としては，通常の高温炉において Pt 線を介し，て粉末成形体に通電するタイプ(図 1.7)，また熱膨張計に電BaTiO3(20) 等で確認されている．ただし電場支援焼結に関し極用の Pt 線を導入して試料への通電を可能としたタイプ(24)ては，パルス通電加圧焼結や後述するフラッシュ焼結に比べが使われている．フラッシュ焼結において，セラミックス粉て報告例は限られており，現象の理解もまだ十分進んでいな末成形体に一定の直流ないし交流電場を印加しながら，一定い．しかしながら，電場支援焼結は微細組織および緻密化にの昇温速度で炉内温度を上昇させた場合の，炉内温度に対す

対して興味深い効果をもたらすものであり，今後の研究進展

る(a)電圧，(b)電流，および(c)相対密度(緻密化曲線)をそが望まれる．

れぞれ模式的に図.に示す．一定電圧を粉末成形体に印加し炉内温度を一定速度で上昇させると，試料の電気伝導率は

・ フラッシュ焼結

温度上昇とともに増加し，電流値は徐々に上昇する．あるし
きい値を超えた電圧を印加している場合，臨界温度に達する

・・ フラッシュ現象と試料を流れる電流値(電気伝導率)が通常の温度依存性からフラッシュ焼結は Raj らの研究グループによって 2010 年

逸脱して急激に上昇する．この強電場印加下での電気伝導率に発表された焼結法である(21) ．彼らの最初の報告では 3Y 

ないし電流値の急激な増加は flash event と呼ばれることがTZP を対象としており，例えば 120 V / cm の直流電場を印

多いが，本稿ではフラッシュ現象と呼ぶことにする．このフ加した場合，大気中無加圧下 850 °C において緻密化が開始

ラッシュ現象の開始と同時に，フラッシュ焼結が発生する．

し，僅か 5 秒で相対密度 95 以上の緻密体が得られたとし

粉末成形体に電力を供給する電源の出力には限界があるのている． 3Y TZP の一般的な焼結条件が 1400 °C ～ 1500 °
Cにで，通常，フラッシュ現象の開始と同時に，電源の制御を電おいて数時間要することを考えると，直流電場の印加により圧一定制御から電流一定制御に切り替える．すなわち，フラ

焼結緻密化が低温・短時間で進むことが分かる．このようなッシュ焼結開始後から電流値を一定値に保つ制御に切り替え

特長から，フラッシュ焼結は新たな省エネルギープロセスとるため，印加電圧は初期値から低下する．

して注目を集めた．Raj らの報告以降，フラッシュ焼結は種

図.に，著者らの報告した Y2O3 における直流電場下で々のセラミックスで発現することが報告され，現在では高純のフラッシュ焼結実験の結果を示す(18) ．図 4.5 ( a )は各電場

度 Al2O3 を除く主要な酸化物および，SiC(22)や Sb2Te3

(23)

な

下での緻密化曲線，(b)は試料に投入された電力をプロット

ど一部の非酸化物において，その焼結緻密化の低温・高速化している． Y2O3 は難焼結性材料の一つであり，一般的な焼が確認されている．

結法で緻密体を得るためには， 1600 °C 以上の焼結温度で数



講義ノート

方，Raj は既報の TZP や Al2O3TZP コンポジットにおけるフラッシュ焼結のデータについて，熱収支に関する解析を行い，殆どのケースで熱暴走が起こりえないこと，すなわちフ
ラッシュ焼結がジュール熱の効果だけでは説明できないと結論付けている(27)．ジュール加熱の寄与を巡り異なる見解が出ていることの要因の一つは，フラッシュ焼結が極めて短時間の内に起こる非定常な現象であり，材料の局所的な温度や物質輸送を定量的に評価することが極めて困難であることにある．緻密化には特に粒子表面や粒界といった局所領域での物質輸送が主体的に関わっていることから，マクロな緻密化
挙動からのみではフラッシュ現象の素過程を捉えることは困難であろう．そこで注目されるのが，フラッシュ焼結に付随して起こる，相変態をはじめとする特異な現象の発現である．
・・ フラッシュ焼結に伴う諸現象
上述のその場 X 線回折実験では，フラッシュ焼結中の図 4.5

Y2O3 における各直流電場下での( a )緻密化曲線および(b)試料に投入された電力と炉内温度に対してプロットした．昇温速度は 10 °C / min であった． 500 V / cm ， 1000 V / cm の電場印加により，徐々に緻密化が促進される電場支援焼結( FAST )が現れたのち，急激に緻密化が進むフラッシュ焼結が認められた．

3Y TZP の結晶構造変化が調べられた(26)．炉温1000°
C において 100 V/cm(105 mA/mm2)の直流電場を印加すると，この温度での安定相である正方晶に加えて，高温安定相である
擬立方晶(pseudocubic phase)が現れた．この擬立方晶は電場を除去すると消失してしまう．このとき，試料に接触させた Pt 薄膜の格子定数から算出された試料温度は1290°
Cであっ た ． 一 方 ， 電 場 を 印 加 し な い 3Y TZP に お い て は ，
1400 °
C でも立方晶の出現は確認されなかった．すなわち，時間保持をする必要がある．150 V/cm の直流電場を印加しフラッシュ状態において生じた立方晶は，試料温度上昇の効ても，緻密化挙動に目立った変化は認められない．これに対果では説明できないことになる．

し， 500 もしくは 1000 V / cm の直流電場の印加により緻密

ZrO2 の相変態挙動が関連する興味深い成果としては，こ化が促進されており，徐々に緻密化が促進される FAST のの 他 に フ ラ ッ シ ュ 焼 結 に よ る 単 斜 晶 ZrO2 多 結 晶 体 の 固影響を示した後に，フラッシュ焼結が現れた．電場強度を増化(24)(28) が挙げられる． ZrO2 は本来，約 1000 °C 以下で単斜

加するにしたがい，緻密化開始温度は低温側へと移動してお相が安定であり， ZrO2 セラミックスの通常の焼結温度であり，例えば 1000 V / cm の条件では約 980 °C で約 96 の最終

る 1400 °C 以上では正方晶や立方晶が安定相となる．安定化

密度が得られている．これは大気中，無加圧条件での通常焼剤 を 含 ま な い ZrO2 を 高 温 で 緻 密 化 さ せ て も ， 降 温 時 に結と比べても，600°
C以上の焼結温度の低減と数時間以上の1000 °
C 近辺で起こる正方晶から単斜相への相変態は単位胞

焼結時間短縮に繋がる．高電場印加下で，緻密化速度の増加の体積膨張を伴うため，内部応力によって焼結体は破砕してと同時に，電力値も急激に増加しており，確かにフラッシュ

しまう．これに対し，175 V/cm の直流電場を用いて1350°
C現象が起きていることが確認できた．

でフラッシュ焼結させると，室温まで降温しても破壊させず

・・ フラッシュ焼結のメカニズム
フラッシュ焼結においては，常に図4.4(b)に示したような電流ないし投入電力の上昇を伴うことから，急峻な緻密化速に単斜晶 ZrO2 多結晶体を得ることができた．フラッシュ焼
結後の無添加 ZrO2 の微細組織からは，フラッシュ焼結に伴う酸素空孔濃度の上昇および強電場下での強制的な酸素イオ
ン伝導が示唆されている．

度の増加には試料への通電に起因するジュール熱が支配的に

さらに， Y TZP や Y2O3， BaTiO3 多結晶においても，フ寄与していると結論する報告が多い．Todd らは，通電によラッシュ焼結により緻密化させた材料は強還元状態になるこる温度と電気伝導率の上昇に関して有限要素法による解析をとが指摘されている．例えば，フラッシュ焼結により緻密化行い，フラッシュ現象が熱暴走，すなわちジュール熱によるされた BaTiO3 多結晶体において，粒内と比して粒界が還元

試料温度上昇とそれに伴う電気伝導率の増加との雪崩効果に状態に類似の電子状態になっていることが電子エネルギー損

起因するものと結論付けた(25)．実際，フラッシュ焼結中の失分光法(EELS)により示された(29)．同様の結果は Y2O3 でジュール熱に起因して，試料温度が炉内温度から大きく逸脱も見出されている(18)．さらに，フラッシュ焼結により，Y

して上昇する様子が，放射温度計による計測(18)やその場 X

TZP における過剰酸素イオン空孔が安定化され，大気中に線回折法(26)により確かめられており，フラッシュ焼結のメ

もかかわらず ZrO2 が窒化されることが明らかとなった(30)．

カニズムとして熱暴走説を支持する報告が大半を占める．一

強電場下で非平衡状態での量を越えた濃度の酸素イオン空孔

ま て り あ 第59巻 第 1 号(2020)
Materia Japan

が導入されたことを強く示唆する．この他，フラッシュ焼結得られたと考えられる．さらに，フラッシュ焼結の持続時間によって二粒子粒界面に非平衡結晶相が析出するという報告を長くすると，蛍光発光の強度が増した．こうした蛍光発光も存在する．著者らは，BaTiO3 のフラッシュ焼結においては，やはり Y2O3 の場合と同様，フラッシュ焼結のプロセス

過剰な電流を流すと，電流が集中する箇所で粒界層が析出すにおいて導入された何らかの欠陥準位に起因すると考えられることを TEM により確認した(31) ．結晶構造と化学組成をる．

定量評価したところ，この粒界層は BaO TiO2 系平衡状態

以上述べたように，フラッシュ現象を経ることで平衡状態

図上には存在しない非平衡もしくは準安定相であると結論付

では起こりえない原子欠陥の導入や非平衡または準安定相のけられた．

生成が報告されるようになった．これらの事実は，フラッシ

最近，フラッシュ焼結により，添加元素に依らない蛍光体

ュ焼結においてはジュール加熱だけでなく強電場下での非平の作製が相次いで報告された(32)(33)．交流電場を用いたフラ

衡な点欠陥構造や物質輸送が実現することを示唆しており，

ッシュ焼結により，無添加 Y2O3 緻密焼結体は紫外光( 254

これをフラッシュ現象ならびにフラッシュ焼結の起源と結びnm)下で 411 nm にピークを持つ蛍光発光を示すことが分かつけることは突飛な発想ではないであろう．例えばフラッシった(図.)(32)．さらに 1 molの Si4＋ を添加した Y2O3 のュ現象の発生条件と，点欠陥濃度や電気伝導度の急激な上昇

フラッシュ焼結体は，より強い蛍光発光を示した．ただし，との関連性などに興味が持たれる．現況，フラッシュ焼結に蛍光発光および励起スペクトルにおけるピーク波長は，Si4＋

より均一・高密度の焼結体を得るための手法は必ずしも確立の有無に関わらず変化はなかった．同じ原料粉末を用い，通していないが，印加する強電場として交流電場を用いること

常の大気中無加圧焼結により作製された無添加 Y2O3 およびで，より簡便に均一且つ高密度の焼結体が得られるという報

1 mol  Si4＋ 添加 Y2O3 緻密多結晶体では蛍光発光を示さな告が現れ始めている．著者らの報告でも，交流電場の利用がかったことから，原料粉末に含まれる不純物が発光中心にな均一な焼結体の組織形成に有効であることが示されていっているとは考えられない．こうした結果から， Y2O3 の蛍る(32)(33)．確かに直流電場よりも交流電場を印加する方が，光発光は原料に含まれる不純物や添加した Si4＋ 自体ではな

焼結体において均一な微細組織を得ることが容易であること

く，フラッシュ焼結および電場下での Si4＋ 添加によってバは想像に難くない．併せて，例えばフラッシュ焼結によってンドギャップ内に導入された，何らかの欠陥準位の生成に起のみ実現しうる材料特性発現が可能になれば，フラッシュ焼因することが示唆された．また， 3Y TZP を交流電場の印結技術への関心は今後さらに高まるであろう．

加によりフラッシュ焼結中した場合も， 245 nm の紫外光の下で青色の蛍光を発することが明らかになった(33)．TZP に

・ 通電支援焼結の今後の展望

おいても，通常の焼結によって緻密化された焼結体では蛍光発光は得られず，電場ないし電流の働きによって蛍光特性が

SPS は製造できる部材サイズの制約など問題点が指摘されながらも， SPS でしか実現が困難な材料―例えばバイン
ダーレス WC 系超硬材料など―を中心に，既に実用化が始まっている．これは従来からの焼結理論・経験に加えて，
SPS 実験装置の普及や数多くの基礎研究など産学の長年の努力が積み重なって到達し得たものであろう．フラッシュ焼結については最初の報告から約 10 年が経過したが， 4.3.3 で見たように，未だに新たな現象や微細構造の発現が報告されており，学術的にも工業的にもまだまだ萌芽段階であると考える． FAST やフラッシュ焼結においても， SPS と同様に焼結体の均質化や大型化など問題は山積しているが，焼結技
術・装置の開発・向上だけでなく緻密化機構の解明，さらにSPS と同様にフラッシュ焼結でしか実現しない材料の製造技術の確立などが進めば，一層の学問展開が進むであろう．
焼結は長い年月をかけて基礎理論が構築され，とりわけセラミックスの基本的な製造技術として広く普及しているが，通電支援焼結をはじめ未だに新たな学術的萌芽が見出され続
けており，学術的のみならず工業的にも解明すべき点は多
図 4.6



大気中での通常の無加圧焼結(左)およびフラッ
シュ焼結(右)により得られた Y2O3 緻密体の(a)自然光および( b )紫外光( 254 nm )下での試料外観写真(32)．フラッシュ焼結体は青白い蛍光発光を示したが，通常焼結体では蛍光発光は認められなかった．(オンラインカラー)

い．今後の当該分野のさらなる発展を祈念して，本講義ノートの締めくくりとしたい．
最後になったが，本講義ノートの執筆にあたり，目義雄

博士，平賀啓二郎博士，金炳男博士，森田孝治博士(物質・講義ノート材料研究機構)，曽我公平教授(東京理科大学)，山本剛久教授(名古屋大学)， Rishi Raj 教授( Colorado University Boulder )らとの共同研究により得られた多くの知見が礎となった．また，本稿で紹介したフラッシュ焼結に関する知見の一部は，研究成果最適展開支援プログラム(産業ニーズ対応タイプ)「フラッシュ焼結の学理構築と革新的焼結技術への展開(AS282I004e)」の支援によって得られた．この場を借りて謝意を表する．
(完)

文献( 1 ) M. Tokita: J. Soc. Powder Tech. Japan, 30(1993), 790.
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(11) B.
N. Kim, K. Hiraga, K. Morita and H. Yoshida: Scr. Mater.,
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(12) K. Morita, B.N. Kim, K. Hiraga and H. Yoshida: Scr. Mater.,
58(2008), 11141117.
(13) H. Yoshida, K. Morita, B.N. Kim, K. Hiraga, M. Kodo, K.
Soga and T. Yamamoto: J. Am. Cram. Soc., 91(2008), 1707
1710.
(14) B.
N. Kim, K. Hiraga, K. Morita, H. Yoshida, T. Miyazaki and
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(15) R. Raj, M. Cologna and J. S. C. Francis: J. Am. Ceram. Soc., 94(2011), 19411965.

ま て り あ 第59巻 第 1 号(2020)
Materia Japan(16) S. Ghosh, A. H. Chokshi, P. Lee and R. Raj: J. Am. Ceram.
Soc., 92 (2009), 18561859.
(17) D. Yang, R. Raj and H. Conrad: J. Am. Ceram. Soc., 93(2010),
29352937.
(18) H. Yoshida, Y. Sakka, T. Yamamoto, J.
M. Lebrun and R. Raj:
J. Eur. Ceram. Soc., 34(2014), 9911000.
(19) S. K. Jha and R. Raj: J. Am. Ceram. Soc., 97(2014), 527534.
(20) J.C. M'Peko, J. S. C. Francis and R. Raj: J. Eur. Ceram. Soc.,
34(2014), 36553660.
(21) M. Cologna, B. Rashkova and R. Raj: J. Am. Ceram. Soc., 93(2010), 35563559.
(22) E. ZapataSolvas, S. Bonilla, P. R. Wilshaw and R. I. Todd: J.
Eur. Ceram. Soc., 33(2013), 28112816.
(23) M. Mikami, Y. Kinemuchi, K. Kubo, N. Uchiyama, H.
Miyazaki and Y. Nishino: J. Appl. Phys., 124(2018), 105104.
(24) N. Morisaki, H. Yoshida, T. Tokunaga, K. Sasaki and T.
Yamamoto: J. Am. Ceram. Soc., 100(2017), 38513857.
(25) R. I. Todd, E. ZapataSolvas, R. S. Bonilla, T. Sneddon and P.
R. Wilshaw: J. Eur. Ceram. Soc., 35 (2015), 18651877.
(26) J. M. Lebrun, T. G. Morrissey, J. S. C. Francis, K. C. Seymour,W. M. Kriven and R. Raj: J. Am. Ceram. Soc., 98(2015),
14931497.
(27) R. Raj: J. Am. Ceram. Soc., 99(2016), 3226
3232.
(28) 山本剛久，吉田英弘まてりあ，57(2018), 373380.
(29) Y. Nakagawa, H. Yoshida, A. Uehashi, T. Tokunaga, K.
Sasaki and T. Yamamoto: J. Am. Ceram. Soc., 100(2017),
38433850.
(30) N. Morisaki, H. Yoshida, K. Matsui, T. Tokunaga, K. Sasaki
and T. Yamamoto: Appl. Phys. Lett., 109(2016), 083104.
(31) H. Yoshida, A. Uehashi, T. Tokunaga, K. Sasaki and T.
Yamamoto: J. Ceram. Soc. Japan, 124(2016), 388392.
(32) K. Nambu, H. Hayasaka, T. Yamamoto and H. Yoshida: Appl.
Phys. Express, 12(2019), 075504.
(33) Y. Yamashita, T. Kurachi, T. Tokunaga, H. Yoshida and T.
Yamamoto: J. Ceram. Soc. Japan, 127(2019), 849851.
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

吉田英弘

1997年 東京大学大学院工学系研究科修士課程修了
2001年 博士号取得(論文博士(工学)，東京大学)
1999 年～ 2004 年 東京大学大学院新領域創成科学研
究科・助手
2004年～2019年 物質・材料研究機構・研究員
2019年～現職
専門分野セラミック材料学◎構造・機能セラミックスの微細組織制御と特性向上に関する研究に従事．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

薄ゲージ化と製缶時の加工自由度に貢献する
高強度・高加工性缶用鋼板「JATT」の開発
齋 藤 勇 人
假 屋 房 亮鈴 木 善 継川合稔中 村 紀 彦
1)
1)
2)
3)
4)
杉 田 一 久石井健太郎
大 谷 大 介神 宮 貴 文中 田 有 紀
5)
5)
6)
7)
8)

. 緒

言

缶用鋼板は缶飲料や食品缶詰の容器であるスチール缶の材料として用いられる板厚 0.2 mm 前後の極薄鋼板であり，この鋼板に錫めっき処理や電解クロム酸処理等を施したものが，それぞれぶりき，ティンフリースチール等の表面処理鋼板として実用化されている(1)．
缶用鋼板は地球環境保全の観点から，薄ゲージ化による輸送時の軽量化が需要家から求められており，板厚低減に伴う缶体強度の低下を補うため鋼板の高強度化が求められている．薄ゲージ化は，鉄使用量を削減できるため，1 缶当たり

図1

開発鋼の強度延性バランス．

の鋼板製造過程で発生する CO2 を削減できる効果もある．
また，昨今の消費者からの多様なニーズに対応するため，加工性の向上による缶デザイン性の向上が求められている(2)．

Ti 等の析出強化元素を添加する手法が考えられる．しかし缶用鋼板を高強度化するため，従来は，冷延鋼板を連続焼ながら，食缶等に使用される缶用鋼板は， ASTM 規格によ鈍炉で再結晶焼鈍処理した後に，さらに冷間圧延することでり(4)，耐食性劣化の観点から，合金添加量が厳しく制限され

加工硬化させ高強度化する技術が適用されてきた(2 回圧延，ており，自動車や建材等で適用される多量の強化元素添加にDR 法(3))．しかしながら，DR 法では高強度化する反面，加よる強化法を適用することには限界がある．そのため，従来

工歪みにより伸びが低下するため，高加工性が求められる技術では，薄ゲージ化を可能とする高強度と高加工性を両立

Easy Open End や， 3 ピース缶胴用途の加工時に，リベッする缶用鋼板を提供することは不可能であった．

ト，フランジ，ビード部等で割れが発生することが課題となっていた．
これらの課題の解決には，C, Mn 等の固溶強化元素や Nb,

著者らは，強化元素の見直しによる強化機構の最適化と，製造条件最適化による強化機構発現の最大化を図ることで，
ASTM 規定内の最小限の強化元素添加で，高強度化と高加工性を両立する缶用鋼板 JATTを新たに開発し，量産を開JFE スチール株式会社
スチール研究所 缶・ラミネート材料研究部 1 )主任研究員
2)部長 3)缶用鋼板セクター部 主任部員 4)東日本製鉄所 商品技術部 主任部員 5)東日本製鉄所 第 1 冷延部 主任部員
6 )西日本製鉄所 薄板商品技術部 主任部員 7 )西日本製鉄所
錫鍍金部(主任部員) 8)西日本製鉄所 錫鍍金部 (部員)Development of High Strength and High Formability Steel
Sheets for Can Material, ｢JATT｣, that Contributes Down
Gauge and Good Designability of Can Shape; Hayato Saito,
Nobusuke Kariya, Yoshitsugu Suzuki, Minoru Kawai, NorihikoNakamura, Kazuhisa Sugita, Kentaro Ishii, Daisuke Otani,
Takafumi Jingu and Yuki Nakata (JFE Steel Corporation)
2019年10月31日受理[doi:10.2320/materia.59.44]始した．図に開発鋼の降伏強度(YS)伸び(El)のバランスを示す．本稿ではその開発技術の内容と技術的意義について
述べる．

.

鋼板成分設計の考え方

前述のように缶用鋼板では強化元素の添加が厳しく制限される．例えば自動車用鋼板や建材等では，代表的な強化元素の Si や Mn は 一 般 的 に 1  以 上 添 加 さ れ る こ と が あ るが(5) ， 缶 用 鋼 板 で は ， そ れ ぞ れ 最 大 0.02  ， 0.6  で あ

新技術・新製品

る(4)．そのため，単に従来の強化機構を適用するのでは，高した結果を示す．低 CT 材と比較し，高 CT 材において 10

 強化元素見直し，
 強化機
強度化が困難である．そこで，

nm 以下の微細析出物が多数析出していることが明らかにな

構の最大発現を試みた．

った．以上のことから，熱延 CT を高めに制御することで，

強化元素の見直し

微細な Nb 析出物による析出強化効果を最大化出来ることがわかった．

ASTM 規格で許容される強化元素として，一般的な固溶

また C，N による固溶強化効果を最大化するため，連続焼強化元素である C の他に，従来十分には検討されていなか

鈍炉内での再結晶焼鈍時の冷却条件による影響を調査した．

った N による固溶強化に着目した．一般的な鋼の N 含有量

図に均熱処理後の冷却条件と鋼板の降伏強度の関係を示

は高々 0.001～0.003 mass程度である．そこで溶鋼の精錬

す．冷却停止温度を300°
Cまで低下させて鋼板を急冷し，冷工程において，積極的に N を含有させた鋼を作製した．図

却速度を増加させることで，徐冷した場合に比べ降伏強度が に 機 械 特 性 に 及 ぼ す 固 溶 N 量 の 影 響 を 示 す ． 0.015

顕著に上昇することがわかった．これは急冷により C およmassの N 添加で，伸びの低下を抑制しつつ，かつ降伏強び N が鋼中に固溶したままの状態が保持されることで，徐度を 44 MPa 増加させることに成功した．また，析出強化元

冷に比べ，固溶強化量が増加したことによると考えられる．

素としては，微量添加で炭化物等の微細析出物が析出して強以上のように再結晶焼鈍後の冷却速度を上昇させることで，度が増加する Nb を選択した(6)．

固溶強化効果を最大化出来ることがわかった．



強化機構の最大活用

固溶強化と析出強化による強度上昇効果を最大限活用する
ため，熱間圧延，および再結晶焼鈍条件の最適化を行った．
Nb による析出強化効果を最大化するため，熱延巻き取り温度( Coiling Temperature, CT )による影響を調査した．図
に熱延板の硬さに及ぼす CT と保持時間の影響を示す． CTを上昇させることで熱延鋼板の硬さが上昇した．さらに，このような CT の影響は再結晶焼鈍後にも引き継がれることが分かった．図に CT を 675 °C と 576 °C に変えた熱延鋼板を
冷延―再結晶焼鈍した鋼板中の析出物を透過電子顕微鏡観察

図4

図2

固溶 N 量が機械特性に及ぼす影響．

図3

熱延板の硬さに及ぼす CT の影響．

ま て り あ 第59巻 第 1 号(2020)
Materia Japan

図5

焼鈍板中の析出物に及ぼす CT の影響．

降伏強度に及ぼす冷却条件の影響．



表1

開発鋼の機械特性．

図7

.

開発鋼の適用例．

開発鋼の技術的意義と実用化状況

JATTは 主 に 高 い 加 工 性 が 求 め ら れ る Easy Open End

や，3 ピース缶胴用向け等にすでに実用化されており，2017
年から量産を開始している．図に適用例を示す．一部のア
イ テ ム で は JATTの 適 用 に よ り ， 板 厚 を 0.21 mm か ら
0.18 mm にゲージダウンすることが可能になった．また，

従来 DR 材より加工の自由度が高く缶デザインの可能性が広がること，従来 SR 材(一回圧延，通常の冷延―焼鈍材)と比較し強度が高く座屈やデント変形を軽減できるため，さらなる用途拡大による生産量の増加が見込まれる．このように
JATTは実用的にも優れた特性を有するだけでなく，薄ゲージ・軽量化の実現により，地球環境に優しく，かつ，グロ
図6開発鋼のエリクセン加工性．

ーバルな消費者の多様なニーズに答える缶用鋼板として今後もますます広く使われることが期待される．

.
.

工 業 所 有 権

開発鋼の特性
国内特許 9 件登録済み，海外特許 6 件出願済み．特許第表および前述の図 1 に開発鋼の機械特性を示す．従来の高強度鋼である DR7, DR8 グレード鋼と同等の強度レベ5939368 号 ， 特 許 第 6191807 号 ， 国 際 公 開 番 号 WO2016 /
031234，国際公開番号 WO2017/150066など．

ルでありながら，高い伸びが実現出来た．また前述のように
固溶・析出強化効果を最大限引き出すことで，これまでの

.

文

献

T4, T5 グレード鋼に比べ，大幅な高強度化に成功した．図に加工性の向上効果をエリクセン試験で調査した結果を示す． DR8 材と比較し，開発鋼ではエリクセン値が顕著に上昇した．以上述べたように，開発鋼は合金元素添加量を
ASTM 規制内に抑制しつつ，析出元素最適化と強化機構の最大活用する独自の材質設計思想により，DR 材と同等の高強度を維持しつつ，かつ従来平均 3 ～ 5の伸びに対し，最大15以上の伸びを実現した．

( 1 ) 小島克己JFE 技報，39(2017), 1.
( 2 ) 例 え ば https: // www.canmaker.com / online / mead johnson launchesenfinitasinshapedcans/( 3 ) ぶりきとティンフリースチール，アグネ，(1970), 133.
( 4 ) ASTM, A623M.
( 5 ) 苗村 博第 88 ・ 89 回西山記念技術講座，日本鉄鋼協会，(1983), 314.
( 6 ) T. Gladman: The Physical Metallurgy of Microalloyed Steels,
The Institute of Material, (1997), 54.

新技術・新製品

ニッケル水素化物電池の出力特性改良技術開発
平 光 規 行1林
宏 明2金 原 雅 彦澤春 夫
))中 西 治 通1 高 橋 泰 博2 山 口 匡 訓1 小 島 由 継2


)
)
)
)

ている．しかしながらさらにこの電池のコンパクト，省スペ

.

はじめに

ース化が望まれている．これまで高解離圧(20°Cで2.0 MPa)の AB5 型水素吸蔵合金が，水素吸蔵量 1.5 mass を示すこ

1990 年にニッケル水素化物電池が市場に導入されて以来，その安全性の高さと搭載スペースの制約からハイブリッ
ド自動車の二次電池として利用されてきた．その後，リチウとが報告されてきた(3)．しかしながら，通常の電池容器の耐圧は，1 MPa 以下と考えられる．
筆者らは 60°
C の解離圧が 1 MPa 以下で，高容量の高解離

ムイオン電池が開発された．この電池は軽量で出力密度が高

圧水素吸蔵合金を用いて NiMH 電池の出力密度を改良し，

く 2011 年からハイブリッド自動車の電池に搭載されるよう電池のコンパクト化が可能な技術を開発した．

になってきている(1)．一方，ハイブリッド自動車用ニッケル
水素化物(NiMH)電池について，さらに省スペース化が望まれている．従来の NiMH 電池の負極には水素吸蔵量が 1
mass程度，平衡プラトー圧(解離圧)が0.01 MPa 程度の合金が利用されている(2)(3)．

.

電池用高解離圧水素吸蔵合金の開発



合金組成の最適化(4)高解離圧水素吸蔵合金を用いた NiMH 電池で使用する水

解離圧が高く高容量な水素吸蔵合金を負極に利用すること

素吸蔵合金は， 0.1 MPa 以上の高解離圧を有する材料の中で，NiMH 電池の出力密度が改良して省スペース化できるでも電池の負極材料として一般的な構成元素を有する AB5ものと考えられる．筆者らはさまざまな水素貯蔵材料の中か型合金を採用した．電池で利用することを想定して AB5 型

ら，NiMH 電池の負極に適した重量エネルギー密度と解離合金の最適組成を検討し，水素吸蔵，放出に伴う反応熱の低圧が高い AB5 型水素吸蔵合金に注目し，NiMH 電池の出力減および低温での水素解離圧向上(水素吸蔵量が多く適度な特性改良について研究を行った．

解離圧)を狙った．AB5 型水素吸蔵合金の X 線回折強度曲線を測定して結晶構造を求めた．また，種々の温度での水素吸.

従来の NiMH 電池の課題

蔵放出測定には圧力組成温度(PCT)特性測定装置(最高10MPa)を使用した．

従来の NiMH 電池については，リチウムイオン電池に比べ安価であるため，現在でもハイブリッド自動車に利用され

AB5 型合金の特性

AB5 型 合 金 は 六 方 晶 系 CaCu5 型 構 造 を 有 し ，株式会社槌屋1)課長 2)常務執行役員
株式会社 GF イノベーション取締役社長
ケミオ株式会社取締役社長
トヨタ自動車株式会社1)技範 2)室長

広島大学1)博士課程後期 1 年 2)教授Power Characteristics Improvement Technology for Nickel
Metal Hydride Batteries; Noriyuki Hiramitsu, Hiroaki
Hayashi, Masahiko Kimbara, Haruo Sawa, Haruyuki
Nakanishi, Yasuhiro Takahashi, Masakuni
Yamaguchiand Yoshitsugu Kojima(Tsuchiya
Co. Ltd., GF Innovation Ltd., Chemio Co. Ltd.,
Toyota Motor Corporation, Hiroshima University)
2019年10月31日[doi:10.2320/materia.59.47]

ま て り あ 第59巻 第 1 号(2020)
Materia Japan

MmNi3.99Co0.60Mn0.36Al0.053 ( La0.241Ce0.543Pr0.0538Nd0.163Ni3.99
Co0.60Mn0.36Al0.053 ) は 室 温 1 MPa で 水 素 を 吸 蔵 し た ．
MmNi3.99Co0.60Mn0.36Al0.053 の典型的な圧力組成等温線を図に示す．
真空熱処理による活性化後， 1 MPa ，室温( 293 K )で 1.4
mass の水素を吸蔵し，圧力を下げると水素を放出して水

素 放 出 量 は 1.4 mass  と な る ． こ の 値 は 従 来 ， 常 圧 ( 0.1
MPa )で利用されてきた合金(解離圧約 0.01 MPa )に比べ1.4倍に増加する．高解離圧水素吸蔵合金の平衡プラトー圧(解離圧)は約 0.2 MPa であり． 60 °C に加熱しても 1 MPa 以で，C レートとは電池に対して放電するときの電流の大きさを表す． 1C の「 C 」は電池の容量を放電して 1 時間で放電終了となる電流値のことである．また電池の放電電圧と放電
電流の間には直線関係が成立して，電流が大きいほど低下す
るものとする． JEVSD713 に従い電池の出力(パワー) Pw は次式で表される．
Pw ＝(E R－1)
0(2)

ここで R は電池の抵抗を示し，通電 10 秒後の放電電圧と放電電流の関係から求めた値である． R は電池容量 Q が大き
図1

いほど小さく，次式が成立すると仮定できる．

AB5 型水素吸蔵合金の水素圧組成等温線．

R＝R0e－aQ(3)

ここで，a は電極の厚さや合金粒子サイズ等に依存する定数，
R0 は容量がゼロの時の抵抗である．式( 1 )～( 3 )より高解

離圧水素吸蔵合金を利用することで起電力( E0 )が向上，電下であった．
van't HoŠ プ ロ ッ ト か ら 求 め た MmNi3.99Co0.60Mn0.36

池容量(Q )が大きいほど抵抗(R)は低下，電極厚さが薄く，

Al0.053 水素化物の生成熱は－29 kJ/moIH2 となり，その大き

水素吸蔵合金の粒径が小さいほど a の値が小さくなり，出力さ は 従 来 の Ni MH 電 池 に 利 用 さ れ て い る 水 素 吸 蔵 合 金

密度の向上が期待できる．

(－35 kJ/molH2)に比べ小さな値を示した．

室温における放電特性を検討した．図に NiMH 電池評

水素吸蔵合金の解離圧は X 線回折測定から求めた単位格
子体積が小さいほど高くなり，従来の報告とその傾向は一致

価セルの概観と概略図を示す．
従来の Ni MH 電池と同様，正極(水酸化ニッケル 0.21

する．従来の AB5 型水素吸蔵合金の解離圧は 0.012 MPa で

g をニッケル多孔体に塗布)，セパレータ(スルホン化ポリプ

あり，MmNi3.99Co0.61Mn0.30Al0.27(La0.803Ce0.140Pr0.0148Nd0.0427

ロピレン不織布)，負極(平衡解離圧0.19 MPa の合金0.2 g を

Ni3.99Co0.61Mn0.30Al0.27 )(解離圧約 0.01 MPa)と同程度の解離

ニッケル多孔体に塗布)と電解液( KOH27 mass ， NaOH3

圧 を 示 し た ． 低 解 離 圧 AB5 型 合 金 中 の La サ イ ト を La

mass  ， LiOH1 mass  水 溶 液 )か ら な る ． 比 較 と し て ，( 0.169 nm ) に 比 べ 金 属 半 径 の 小 さ な Ce ( 0.165 nm ) ， Pr

0.01 MPa 合金を塗布した負極(0.2 g)を用いた電池も作製し( 0.164 nm )や Nd ( 0.164 nm )に一部置換し， Ni サイト中でた．図 に二種類の合金を用 いた電池評価セルの 1C ( 50

Ni ( 0.115 nm )比べ金属半径の大きな Al ( 0.125 nm )の量をmA)の電流における放電曲線を示す．通常の NiMH 電池は下げることで，解離圧が 0.01 MPa から 0.19 MPa に上昇す

正極容量支配であるが，低解離圧水素吸蔵合金は水素吸蔵量るものと考えられる．Co (0.116 nm)は水素化による格子膨が小さいため，本実験の少ない合金量では負極容量が足り張を低減して，電池のサイクル特性を向上させるために必要
である．

.

電気化学特性Ni MH 電 池 の 起 電 力 E0 は 水 素 吸 蔵 合 金 の 解 離 圧 力
P[atm]を用いて次式で計算することができる(3)．
E0＝1.35＋(

RTRT
DH D S－ln P＝1.35＋
ln
2F
2F
RT R

)

(1)

ここで，R は気体定数，8.314[J/Kmol］，T絶対温度[K］，

図2

NiMH電池評価セル概観と電池構造概略．

Fファラデー定数，96500[C/mol］，DH は標準エンタルピー変化(生成熱)[ kJ / molH2 ］， DS は標準エントロピー変化[ J/molK]である．式( 1 )より，圧力が 0.1 MPa 以上の高解離圧水素吸蔵合金を用いた電池の起電力は従来合金(解離圧0.01 MPa)を用いた場合に比べ0.03 V 以上高くなる．また，低解離圧水素吸蔵合金の生成熱の大きさは高解離圧水素
吸蔵合金に比べ大きくなる．低温下では低解離圧水素吸蔵合
金の起電力は高解離圧水素吸蔵合金に比べ大きく低下する．
ハイブリッド電気自動車用密閉形 NiMH 電池の出力密度
および入力密度試験方法(JEVSD713)によると，通電10秒後の放電電圧と放電電流( C レート)の関係をプロットし， 1.0
V 以上で 10 秒間維持できる最大放電電流が得られる．ここ

図3

電池評価セルの放電曲線．

新技術・新製品

図5
図4

薄型セルの概観．

10秒後の放電電圧と放電 C レートの関係．

表1

薄型 NiMH セルにより構成したセルスタックの性能．(容器体積は含まない)

ず，電池容量が小さくなってしまったと考えられる．それに対して，高解離圧水素吸蔵合金は水素吸蔵量が大きいため，少ない合金量でも負極容量が正極容量(50 mAh)を上回り，正常な正極容量支配が維持できた．
負極，正極ともに活物質(負極高解離圧水素吸蔵合金もしくは低解離圧水素吸蔵合金，正極水酸化ニッケル)をニ
ッケル箔(30 mm)へ厚さ30 mm に塗布した電極にした．図には通電後 10 秒後の放電電圧と放電電流( C レート)の関係を示す．
高解離圧水素吸蔵合金を用いたセルの 1 V における放電 C
レートは 109C となり，低解離圧水素吸蔵合金を用いたセルが，電極設計はケミオが，高平衡圧(高解離圧)水素吸蔵合金の開発は広島大学，トヨタ自動車が担当した．

(55C)に比べ出力は約 2 倍に向上した．
特許

.

薄型セル作製とセルスタック出力密度

NiMH 電池の改良に関する特許を 6 件出願その内下記 4 件が公開．
上記と同様のニッケル箔薄型電極によって電池の基本部分(1) 高圧型水素化物二次電池，特開2018045942となる薄型セル(図)を構成し，それを 168枚スタックして(2) アルカリ二次電池，特開2018147626

202 V とした場合についてセルスタック(容器は含まない)の(3) 蓄電装置，特開2019050103

出力密度等を算出した．結果を表に示す．高解離圧水素吸(4) アルカリ二次電池，特開2019125472

蔵合金を利用することで，低解離圧水素吸蔵合金を用いた場
合に比べセルスタックの出力密度が大幅に向上しており，こ文

献れにより電池のコンパクト化が可能と考えられる．

.

ま と

め

高解離圧水素吸蔵合金を利用することで，NiMH 電池の体積当たりの出力が大幅に向上し，電池のコンパクト化に寄与する可能性があることがわかった．今後，本技術の研究開
発が一層活性化され，利用されることを期待する．
なお電池の設計と試作評価は槌屋と GF イノベーション

ま て り あ 第59巻 第 1 号(2020)
Materia Japan( 1 ) 井口隆明，落合誠二郎，小園 卓，新田和司，阿部泰之，河野健次ハイブリッド自動車用リチウムイオン電池 EH5，GS
Yuasa Technical Report, 11(2014), 2430.
( 2 ) 森下真也，近藤康仁，大矢 豊，砥綿真一，阿部勝司日本
化学会誌，No. 6(1999), 369373.
( 3 ) H. Uesato, H. Miyaoka, T. Ichikawa and Y. Kojima: International Journal of Hydrogen Energy, 44(2019), 42634270.
( 4 ) 山口匡訓，上里裕紀，宮岡裕樹，小島由継ニッケル水素化物電池用の高容量 AB5 型水素吸蔵合金開発，日本金属学会秋期大会講演概要(2019).

企画にあたって

連載「思い出の教科書，この一冊」
編集チーム

上田恭介1

榎木勝徳2

齊藤敬高4

竹田

修1

田中秀明5

佃

三井好古6

宮崎秀俊7

山本剛久8

横山賢一9

大塚

誠2

木口賢紀3
諭志2

肝心なことが頭の中から抜け落ちてしまった時や考えをまとめたい時など，ふと手にする教科書は，誰にでも一冊程度はあるのではないでしょうか

その教科書は紛れもなく，その人にとっての座右の書ということになるでしょう．そんな教科書を手にしていた当時の思い出とともに語っていただく「思い出の教科書，この一冊」が隔月掲載で始まります
このシリーズで紹介するものと同じ教科書を使っていた方もいらっしゃるかと思います．共感することもあるでしょうし，
ひょっとしたら．．の方もいらっしゃるかもしれません．その教科書を手にしていた時を思い出しながら，ぜひ，お楽しみ頂
ければと思います．乞うご期待「私もこの教科書について語りたい」という方がおられましたらぜひ，ご投稿をお待ちしております．
連絡先会報編集委員会

Email: materia＠jim.or.jp（ご連絡を頂きましたら，原稿フォーマットをお送りいたします．尚，掲載については編集チームでの査読が入りますことを申し添えます．
）

上田恭介

榎木勝徳

大塚

齊藤敬高

竹田

田中秀明

三井好古

修

宮崎秀俊

誠

木口賢紀

佃

諭志

山本剛久

編集チーム 1 東北大学大学院工学研究科 2 東北大学多元物質科学研究所 3 東北大学金属材料研究所 4 九州大学大学院工学研究
院5 産業技術総合研究所エネルギー・環境領域電池技術研究部門6 鹿児島大学大学院理工学研究科7 名古屋工業大学大学院工学研
究科8 名古屋大学大学院工学研究科9 九州工業大学大学院工学研究院
2019年12月 2 日受理[doi:10.2320/materia.59.50]



企画にあたって“金属組織学序論”
阿部秀夫(著)

コロナ社

名古屋大学大学院工学研究科

1967年

山本剛久

筆者がこの教科書と出会ったのは，今ではもう遥か昔となってしまった大学の学部二年次後期だったと記憶している．

■現有の教科書の表紙あんまり勉強していなかったのか，
それほど傷んでいないのはご愛敬～．

る．ところが，この教科書であれば僅か 40 頁の分量に結晶学のエッセンスが整然と詰まっているのである．

二年次後期は，一般教養の講義数が減少し，代わりに専門のところで，この手の教科書は，しばしば付録として周期律講義が始まる学期であり，それまで朧気ながらイメージしてが巻末に掲載されていることが多い．ところが，非常にユニいた金属というものが，筆者の中で少しずつ具体化し始めたークなことに，この教科書の付録には周期律が掲載されてい頃だったように思い出される．これ以降，多くの専門講義がないのである．その代わりに，原子の殻外電子配位の表が掲始まるのであるが，その最初に，確か，金属組織学という講載されているのである．その当時はこの意味がよく理解でき義が設定されていて，この教科書は，その講義中に紹介されず，“”の状態だったが，今はこの付表の意味することに感たような気がする．教科書のタイトルである金属組織学とい心させられる．組織という現象論的な学問においても，電子う用語は，いわゆる Metallurgy という英単語の日本語訳にの結合という概念を理解することの重要性を，この教科書の相当するらしいと，その当時に教えられたことを今でも記憶

筆者は学生に伝えたかったのかもしれない．

している(本当にそう言われたか否かは今では怪しいが)．組
織学という学問は，その内容を一言で表すことが難しく，それがカバーする内容は実に多岐にわたっていることは周知の事実である．講義を受講した当時は，実にとっつきにくく難解だったことが思い出される．この教科書は，タイトルに含まれる“序論”が表すように，広範囲な内容を一通り概観できるようにまとめ上げられていることが特徴である．しかしながらその内容は通り一辺倒ではなく，知るべき項目，理論的な式展開，さらには，的を得た挿入図などが順序だてて丁寧に説明されている点が優れている．現在でもしばしば手にすることもあり，また，演習問題などを作成する際にも，参考にすることが多い教科書の一つである．教科書の構成は，空間格子と空間群，ブラベー格子， X 線回折などの結晶学の基礎から始まり，凝固過程の取り扱い，拡散，平衡，相変態，固溶体や析出，相律，二元系状態図へと進み，具体的な■教科書の P509 に掲載されている付表 2 の一部．各元素の最外殻電子軌道の配置が掲載されている．

例として炭素鋼やアルミニウム合金の説明，さらには，強度を理解する上で必須の転位の基礎や引張試験による強度特性

長い時を経て，筆者も恥ずかしながら似たような講義に携などへと展開されている．最後には，三元系状態図とステレわっているのだが，結構な数の受講学生が，現在では絶版†

オ投影法が応用的な内容として含まれている．

となったこの教科書をなぜだか持参している光景をしばしば

初版は 1967 年で， A5 版 328 頁のボリュームである．当時目にする．先輩から言い伝えられているのだろうか．良書とはこの構成に何も感じることはなかったが，今改めてその内は時を隔ても重宝されるものかと，学生当時の自身の姿を重容を見てみると，基本的な知識が何もない初学者にとって，ね合わせて一人感慨に耽るのである．この教科書はもう絶版

基礎を順序立てて理解していけるように十分練られた構成で()となっているが，電子論など大きく進展した学問を少しあるな，と感心する次第である．例えば，結晶に関してミラ

加えて，挿入図面をさらに充実させ，演習問題も含めて，さー指数があやふやな時や，消滅則が頭から抜けてしまった時

らには，カラー印刷や紙質を良くした改訂版が出ればヒットなど，さくっとこの教科書で確認できるのである．この時にするのになあ，と少し残念ではある．

いわゆる結晶学の分厚い専門書を手に取ってしまうと，何を調べようとしていたのかすら頭から抜けてしまう危うさがあ

ま て り あ 第59巻 第 1 号(2020)
Materia Japan(2019年 4 月 8 日受理)[doi:10.2320/materia.59.51]† 若干の在庫があるそうです(2019年 9 月現在)



図1

.

は じ

め

に

私は，北見工業大学の大橋鉄也先生の下で，学部 4 年，
修士課程，博士課程の 6 年間，有限要素法結晶塑性解析を学び， 2017 年 3 月に博士(工学)の学位を取得しました．
2017 年 4 月から九州大学の田中將己先生の研究室で学術研究員として 2 年間研究をさせていただき， 2019 年 4 月から
木更津工業高等専門学校電子制御工学科の助教として勤務しております．この度は，「はばたく」への寄稿という貴重な機会を頂きましたので，これまでに力を入れてきた分散強化合金に関する研究について紹介させていただきます．

.

有限要素法結晶塑性解析との出会い

子供のころパリ・ダカールラリーのドキュメンタリーや映画「紅の豚」が好きだった私は，自動車や航空機などの乗り物を作る仕事がしたいと思い，北見工業大学の機械システム
工学科に進学しました．学部生の時，授業で汎用有限要素法
解析ソフトを使った際に，これからの時代は計算力学が重要だと思い，大橋先生の計算力学研究室を希望して配属されました．研究室の名前だけにしか着目しておらず，研究内容を把握していなかった私は，授業で見た自動車の衝突解析画像などを思い描きながら研究室の門を叩きました．そこで頂いた卒業研究のテーマは「第 2 相粒子を含む材料中の転位蓄積と加工硬化の結晶塑性解析」というもので，機械工学科では聞きなれない転位と結晶塑性解析という言葉に出会いました．

.

分散強化合金に関する研究

第 2 相粒子を含む材料，すなわち母相結晶中に第 2 相粒子が分散する分散強化合金は，母相のすべり変形を担う運動
転位に対して分散する硬質な第 2 相粒子が抵抗となることで高い降伏応力と加工硬化率を示し，優れた力学特性を有します．そのような中，フェライト中に Cu 粒子が分散する軟質粒子分散鋼は，高い降伏応力を示しながら低い加工硬化率
で伸びが優れていることを示す報告(1)がありました．そこで硬質粒子分散鋼と軟質粒子分散鋼の力学特性の相違について結晶塑性解析を用いて検討することが研究の目的でした．まず基本となる硬質粒子が分散した合金の力学特性を有限要素
法結晶塑性解析で表現できるかというところから始めました．従来の理論では，分散強化合金が高い加工硬化率を示す
要因は以下の二つであると考えられています．一つ目は，母相の運動転位が粒子の間を潜り抜けていくとき粒子周りに形成するオロワンループの応力場によって，次に来る運動転位
によるすべり変形に対する抵抗が増え加工硬化する(2)ということです．また，すべり変形の難しい硬質粒子がすべり変形
する母相結晶中にあると，硬質粒子近傍に高い応力が生じ，



指導教員である北見工業大学の大橋鉄也先生(右)，佐藤満弘先生(中)と著者(左)．2016年，北海道黒岳山頂にて．

母相で 2 次すべり系の活動が容易に起こります．従来の理論の二つ目は，2 次すべり系の活動に伴い主すべり系に対する林転位(林立転位)が増加することで加工硬化する(3)ということです．有限要素法結晶塑性解析は，母相と第 2 相の弾性率とすべり変形開始応力の違いによって以下の二つを計算することができます．
 母相がすべり変形するのに対して粒子がすべり変形しないことで粒子が高い応力を担い粒子周りにはオロワ
ンループに相当する幾何学的に必要な転位(GN 転位)の分布が形成する．
 粒子近傍の母相で多重すべりが生じ林転位密度が増加する．
つまり分散強化合金の従来の加工硬化理論で考えられていることが解析結果に表れることにより，実験で得られている
力学特性を簡単に再現できると考えていました．結果は，実験結果と一致する力学特性は得られませんでした．そこで何が足りないのか考えながら分散強化合金に関する研究論文を読んでいたところ，あることに気が付きました．十分に塑性変形した分散強化合金の TEM 像(4)には，主すべり系の転位が多く蓄積しており，加工硬化特性に大きく寄与しているのではないかということです．そこで分散粒子の間隔が運動転
位の平均自由行程に寄与するものとして，主すべり系に蓄積する転位密度を評価したところ，実験結果とよく一致する力
学特性が得られました(5)．このモデルと考え方を基本に分散強化合金の研究を行い，現在も続けています．

.

お

わ

り

に

木更津高専の教員となった現在も，分散強化合金に限らず，金属材料の微視組織と力学特性や微視組織中で生ずる不均一変形に注目し，結晶塑性解析を用いて引き続き研究しております．さらに高専の特色を生かして金属材料の研究にこだわらず新しいことに挑戦していこうと試みています．
最後になりましたが，研究に関することのみならず登山な
どの遊びに連れて行って頂き色々なことを教えて下さった大橋鉄也先生と佐藤満弘先生(図)，上司として色々なことを教えて下さった田中將己先生，これまでにご指導・ご支援頂
いた先生方，研究室の先輩・同輩・後輩・学生の皆様にこの場を借りて深く御礼申し上げます．

文献( 1 ) Y. Imanami, M. Murakami, N. Nakada, T. Tsuchiyama and S.
Takaki: ISIJ Int., 49(2009), 12251226.
( 2 ) J. C. Fisher, E. W. Hart and R. H. Pry: Acta Metall., 1(1953),
336339.
( 3 ) M. F. Ashby: Philos. Mag., 14(1966), 11571178.
( 4 ) F. J. Humphteys and P. B. Hirsch: Philos. Mag., 34(1976),
373390.
( 5 ) 奥山彫夢，大橋鉄也鉄と鋼，102(2016), 396
404.
(2019年 9 月27日受理)[doi:10.2320/materia.59.52](連絡先〒2920041 木更津市清見台 2111)

は ば た く第 16 回 界 面 粒 界 国 際 会 議(iib2019)会議報告
名古屋大学大学院工学研究科物質科学専攻准教授

中 村 篤 智東京大学大学院工学系研究科総合研究機構助教

馮斌2019 年 7 月 1 日～ 7 月 5 日までの 5 日間，フランスパリにある PSL 研究大学の Chimie ParisTech において，第 16
回界面粒界国際会議(XVI International Conference on Inter-

図1

国際会議 iib2019 での東京大学幾原雄一教授の招待講演の様子．

granular and Interphase Boundaries in Materials: iib2019)

が，パリサクレー大学の Olivier Hardouin Duparc 教授とパリ東大学の Sylvie Lartigue Korinek 教授の二人の共同チェ紹介を行った．4 日午前の招待講演では，ベルギー・アント

アによって開催された．本会議では，招待講演 8 件，口頭

ワープ大学の Chen Li 博士が太陽電池中の粒界と転位に関発表79件，ポスター発表72件を含む計159件の発表が行われする研究紹介を行った．4 日午後の招待講演では，フランス

た．日本からは計 23 件の発表があり，十二分に存在感を示

国立科学研究センターの Fred áeric Mompiou 博士が TEM そしていた．本稿では，同会議に参加した 2 名がその会議内の場観察を用いた粒界と塑性に関する研究紹介を行った．5

容を報告する．

日午前の招待講演では，韓国・浦項工科大学校の SiYoung

本会議は，3 年毎に界面・粒界に関する材料関係の第一線の研究者が世界各地から一同に会し，最新の研究に関する議

Choi 准教授が金属絶縁体遷移の界面現象に関する研究紹介を行った．

論や情報交換を行う歴史と伝統のある国際会議である．日本

なお，筆者の 1 人，中村はチタン酸ストロインチウムのとの関係も深く，これまでに 1985年， 1996年，2010年と 10

粒界転位の構造と機能に関する研究報告を行い，馮はジルコ

数年おきに 3 回日本で開催されている．マクロスケールのニア粒界の偏析現象に関する研究報告を行った．また，界研究報告も少なくないが，一方で最先端の電子顕微鏡法や最面・粒界現象に関する最新の研究動向調査を行えたことは非近発展が著しい理論計算を利用して，固体の粒界・界面にお常に有意義であった．

ける諸現象のナノ計測・解析を行い，粒界・界面のより深い

会議の行われた Chimie ParisTech では，キュリー夫人と理解に繋げる研究が目立つように思われた．最近の進展としも知られるマリア・スクウォドフスカ＝キュリーの実験室がては，従来からのナノスケールの計測・評価にとどまらず，そのままの状態で保存されており，参加者は会議の合間に訪

原子レベル・電子レベルの議論が実験・計算の両面から実現問し，その研究環境に感銘を受けていた．また，会議期間中されつつあることを感じた．本会議の具体的な内容を以下には比較的天気も良かったため，多くの参加者がパリ中心部の記す．

遺跡を観光することもできていたようだ．バンケットはセー

まず，会議初日となる 1 日の最初の招待講演を東京大学

ヌ川でのディナークルーズとして行われ，参加者はセーヌ川の幾原雄一教授が行った(図)．最先端電子顕微鏡法によから見るパリの町並みやエッフェル塔などを楽しんでいた．

る，セラミックス粒界の原子・電子レベル構造に関する結果を紹介し，日本の粒界・界面レベルの高さを存分に見せつけ

なお，iib2019 会議関連の論文は，JournalofMaterials

Science の Special Issue として刊行される．また，次回のた．1 日午後の招待講演では，米国・ジョージ・メイソン大iib2022 は中国の北京で開催される予定である．北京へは日学の Yuri Mishin 教授が粒界移動と溶質元素の関係の理論的本から短時間のフライトで行くことができる． 10 数年ごと研究を紹介した．2 日午後の招待講演では，ドイツ・ミュンに日本で開催されているという歴史からすると，日本での次スター大学の Sergiy Divinski 教授が粒界相変態について紹回開催もそう遠くないように思われるので，この機会に参加介した．3 日午前の招待講演では，米国・ペンシルベニア大を検討してみてはいかがだろうか．

学の David Srolovitz 教授が粒界ダイナミクスに関する研究(2019年10月30日受理)[doi:10.2320/materia.59.53]

紹介を行い，米国・ローレンス・バークレー国立研究所の(
連絡先〒464
8603 名古屋市千種区不老町)

Ulrich Dahmen 博士が界面の原子レベル移動に関する研究

ま て り あ 第59巻 第 1 号(2020)
Materia Japan



本
会

告

会

記

事

2020年春期(第166回)講演大会ご案内ならびに参加申込みについて ………………………………………………………………54
2020年春期講演大会併催企業説明会への学生参加者の募集……………………………………………………………………57
2020 年春期講演大会第 3 回「高校生・高専学生ポスター発表」募集 …………………………………………………………57
2020 年春期講演大会機器・書籍・カタログ展示会出展およびプログラム掲載広告募集 ………………………………………58
2020年秋期講演大会企画・公募シンポジウムテーマ募集 …58
男女共同参画ランチョンミーティング開催予告 ……………58
2020年春期講演大会会期中の託児室設置のお知らせ予告 …59
電子ジャーナル機関購読のご案内 ……………………………59
各種賞推薦(自薦)のお願い(村上記念賞・村上奨励賞・奨励賞・論文賞・まてりあ賞) …………………………………59
欧文誌編集委員会からのお知らせ ……………………………59
金属学会シンポジウム開催報告 ………………………………61

事務局 渉 外 ・ 国 際 関 係secgnl＠jim.or.jp
会員サービス全般account＠jim.or.jp
会費・各種支払member＠jim.or.jp
刊 行 物 申 込 みordering＠jim.or.jp
セミナーシンポジウム参加申込みmeeting＠jim.or.jp
講 演 大 会annualm＠jim.or.jp
総 務 ・ 各 種 賞gaffair＠jim.or.jp
学術情報サービス全般secgnl＠jim.or.jp
調 査 ・ 研 究stevent＠jim.or.jp
まてりあ・広告materia＠jim.or.jp
会 誌 ・ 欧 文 誌editjt＠jim.or.jp
公益社団法人日本金属学会〒 仙台市青葉区一番町




 FAX 




TEL 
https://jim.or.jp/

掲示板………………………………60 新入会員……………………………63
会誌・欧文誌 1 号目次……………62 行事カレンダー……………………64
次号予告……………………………63
投稿規程・出版案内・入会申込はホームページをご利用下さい．

会

告(ホームページもご参照下さい)年春期(第回)講演大会ご案内ならびに参加申込みについて会期年月日(火)～月日(木)会場東京工業大学大岡山キャンパス(〒1528552 東京都目黒区大岡山 2121)

日

程

日

時

行

事

3 月17日(火)各賞贈呈式，学会賞受賞講演・本多記念講演，学術講演会，ポスターセッション，
高校生・高専学生ポスター発表，懇親会（「八芳園」）

3 月18日(水)学術講演会，企業ランチョンセミナー

3 月19日(木)学術講演会，男女共同参画ランチョンミーティング，企業説明会

大会参加予約申込締切 


年月
日(金)

《

年春期講演大会

事前参加申込みは，すべてインターネット申込となります．詳細は，申込要領をご覧下さい．

開催予定の各種シンポジウムご案内》

公募シンポジウムテーマ

S1

ハイエントロピー合金の材料科学

S2

ワイドギャップ結晶の材料学と高温プロセッシング 2

S3

ナノ・マイクロスペーステイラリング

S4

金属表面の材料化学―めっき・耐食性・耐酸化性・触媒研究の新展開―

S5

永久磁石開発の元素戦略 7S6エネルギー関連材料の特性評価・解析・予測()―最先端技術への期待―

S7

プラストンの材料科学

―次世代新材料に向けた基礎・基盤研究―

本 会 記 事企画シンポジウムテーマ
K1

International workshop of young researchers for steel metallurgy

2018年 3 月から 2 年間に渡って活動した若手研究グループ「鉄鋼メタラジー研究グループ」のまとめとして，国際シンポジウムを開催する．グルー

プ活動に参画したメンバーに加えて，国際的に活躍する同世代の海外講演者を数名招待し，鉄鋼材料を中心にその組織形成と力学特性に関する最先端の話題について講演を行う．特に，理論，実験，計算の各セッションを設け，各分野における今後の発展を見据えて，国際的な議論を図る．
K2

工業製品における材料選択とマルチマテリアル構造～航空機機体～

ものづくりの基盤形成を担う第 8 分科発案のシンポジウムで，身の回りの工業製品がどのような材料からできているか，また材料選択やマルチマテ
リアル構造についてどのように考えるべきなのかを，広く議論する場を提供することを目的とする．1 回目の今回は「航空機機体」を取り上げ，材料の企業研究者だけでなく，機体メーカーや運航会社の技術者などにも講演を依頼し，業界の動向や課題，各材料の強みや弱み，新材料の開発ならびに適用可能性について情報提供を頂くことを計画している．これまでの講演大会にはなかった『材料を横断的に捉えるシンポジウム』として，シリーズ化していくことを考えている．
K3

医用材料・医療機器開発の最前線()

医用材料・医療機器に対する材料開発は，治療や診断を目的に体内に埋入する材料から診断機器に搭載する材料まで多岐にわたる．このため，材料
 体内に埋入する科学においても，生体材料のみならず，光学・電子材料，腐食防食など，異分野との協働が必須である．本企画シンポジウムでは，◯
 診断に関連する材料科学について，様々な材料科学の視点から議論することを目的とする．特に，医療応用の最医用材料に対する材料科学ならびに◯前線で活躍されている企業の研究者から医用材料・医療機器開発における現状と将来展望について講演を行い，その現状と将来展望について産学の研究者を交えて緊密に議論する場としたい．
K4

どこまで実現したか，スマート社会(仮題)Society 5.0で標榜されるスマート社会においては，実空間(フィジカル空間)とサイバー空間の間で常に情報通信が行われる．こうした高度な情報通

信には，回路・情報処理技術とともにセンシングデバイス・情報処理デバイスなどのデバイス・材料が両輪をなす必要がある事は言うまでもない．しかしながら，AI・ニューロモーフィックデバイスに代表されるように，材料開発の指針が必ずしも明確ではない例もある．本シンポジウムでは，スマート社会を支える材料・デバイス開発として，ディスプレイ材料・IoT 用センサー材料，AI・ニューロモーフィックデバイスに関する最新動向，ならびに，特に材料開発の課題と期待について話題を提供して頂き，金属学会に係る研究者が貢献可能な課題を発掘する一助としたい．
K5

明治の鉄鋼

明治期は日本が国として大きく変わった時期であるが，鉄鋼に関して大きく変化・拡大した時期でもあった．鉄鋼は日本が欧米と並ぶ先進国家であるために重要な産業であり，幾つもの製鉄所建造，技術革新がなされた．第一次大戦の影響もあり，それまでは欧米産が使われていた製品が次第に日本産に移り変わったのである．
このシンポジウムでは，明治期の鉄鋼業の発展の元となった製錬技術の変遷や金属組織学・相変態などの学術的発展に加え，その後時代を経て消えてしまった製鉄所や，技術革新を果たした技術者，またそのためになされた試行錯誤にフォーカスして，ものつくりとは何なのか，また”明治の鉄鋼”
が残したものは何かを議論する．

参加申込要領インターネットによる事前の大会参加申込みおよび懇親会参加の申込み 〈締切〉月日(金)大会参加申込み URL

https://www.jim.or.jp/convention/2020spring/

予約申込締切後，大会参加証，講演概要ダウンロードについては，下記をご参照下さい．なお，領収書や参加証引換券は，決済完了後に申込画面から各自印刷して下さい(WEB 画面講演大会 MyPage よりダウンロード)．2 月29日以降は当日申込となります．
当日申込をご希望の方は，会場受付にて直接お申込下さい．

◆大会参加費(講演概要ダウンロード権含む)※年会費とは異なります．
参加費・懇親会の消費税扱については，ホームページ(一覧表 PDF)をご参照下さい．
予約申込締切日

月
日(金)(申込および入金期日)
予約申込(インターネット申込・事前支払い)

当日申込(大会会場受付・現金払いのみ)

正員・維持員会社社員

10,000円

13,000円

学生員※

6,000円

7,000円

会員資格

非会員

一般

24,000円

27,000円

非会員

学生(大学院生含む)

14,000円

16,000円

お支払後の取消は，ご返金致しかねますのでご了承下さい．
※ 学生員 卒業予定変更等により会員種別に相違がある場合，事前に会員種別の変更手続きを行ってから，大会参加をお申込下さい．
※ 非会員の(有料)参加申込者には，1 年間「まてりあ」を寄贈するとともに，会員価格でイベント等(講演大会以外)に参加できる特典を付与いたします．
ただし特典は重複して付与いたしません．

ま て り あ 第59巻 第 1 号(2020)
Materia Japan◆懇親会費(消費税込み)
予約申込締切日

月
日(金)(申込および入金期日)
予約申込(インターネット申込・事前支払い)

当日申込(懇親会会場受付・現金払いのみ)

一般

10,000円

12,000円

同伴者(ご夫人またはご主人)

5,000円

5,000円種別

お支払後の取消は，ご返金致しかねますのでご了承下さい．
懇親会ご参加申込の方へは，月上旬に懇親会参加証を郵送申し上げます．

◆支払方法
事前予約のお支払いはクレジットカードおよびコンビニ振込決済をご利用頂けます．また，入金後のご返金は致しかねます．2 月28日(金)の入金日をもって予約申込完了となります．

◆参加証
事前予約された際の大会マイページにて「参加証引換券」をダウンロード印刷し，会期当日受付で参加証とお引換え下さい．

◆講演概要の WEB 公開
講演概要の公開日は，大会 2 週間前の2020年 3 月 3 日(火)です．事前予約をされ，参加費を納入された方へは，概要公開日に概要ダウン
ロード用パスワードを配布いたします．当日申込の方へは申込の際に概要ダウンロード用パスワードをお渡しいたします．特許関係のお手続
きは，公開日までにお済ませ下さい．

◆講演概要集購入について
講演概要集 DVD は作成致しません．全講演概要は，本大会 Web サイトで公開をします．これまで概要集 DVD のみ購入をされていた方も，通常の参加登録を頂き，概要の閲覧をお願いします．
参加申込・問合先〒9808544 仙台市青葉区一番町 11432(公社)日本金属学会

 0222233685

FAX 0222236312 Email: annualm＠jim.or.jp
%

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◇

講演申込・事前参加申込～参加までの流れ～

本 会 記 事年春期講演大会併催企業説明会への学生参加者の募集
2020年春期講演大会に合わせ，学生のキャリアサポートの一環として本会主催により，日本金属学会・日本鉄鋼協会講演大会併催の第 6
回企業説明会を東京工業大学大岡山キャンパスにて開催します．本説明会は，学生にできるだけ多くの素材・材料関連企業に接してもらい，
進路選択に役立ててもらおうというものです．日本金属学会学生員および日本鉄鋼協会学生会員並びに東京工業大学の学生を対象に募集しますので，奮ってご応募下さい．就職活動前の学生の参加も歓迎します．
学生の皆さんが参加しやすいように講演大会期間の最終日に開催いたします．ほぼ終日ブースを開設して，講演の合間や講演終了後にも企業ブースを訪問できるようにするとともに，昼食(軽食)を提供して昼休み時間にブースを訪問しやすくしています．また，参加企業の担当者とより詳しく情報交換できるように，説明会終了後に参加企業の担当者との交流会(立食懇談)を開催します．
開 催 日 年月日(木)(春期講演大会の日目)
開催場所

東京工業大学大岡山キャンパス百年記念館(東京都目黒区大岡山 2
121)

主

催

公益社団法人日本金属学会

参加企業

素材，材料関連の企業35社

スケジュール

1100～1630

協賛

東京工業大学学生支援センター(予定)，一般社団法人日本鉄鋼協会

ブース説明会(企業ブースでの対面説明)＊出入り自由．昼食(軽食)提供(先着順)．

1700～1830

参加企業担当者との交流会(立食懇談，参加無料)＊ブース説明会のみ・交流会のみの参加も可．

応募資格

日本金属学会学生員，日本鉄鋼協会学生会員，東京工業大学学生

本会ホームページ上の参加申し込み画面(https://data.jim.or.jp/jim/kigyou/)から申し込む．
月日(月)～
年月日(水)募集期間 年

応募方法
問合せ先

公益社団法人日本金属学会

企業説明会担当〒980
8544 仙台市青葉区一番町 11432

 0222233685

FAX 0222236312 Email: jim.company2020＠jim.or.jp%～ 第回企業説明会参加企業 ～(50音順)

愛知製鋼株式会社

石福金属興業株式会社

高周波熱錬株式会社

合同製鐵株式会社

株式会社コベルコ科研

山陽特殊製鋼株式会社

JFE 条鋼株式会社
昭和電線ホールディングス株式会社

JFE スチール株式会社
滲透工業株式会社

JFE テクノリサーチ株式会社
住友金属鉱山株式会社

株式会社キッツ

住友重機械ハイマテックス株式会社

住友電気工業株式会社

株式会社ソディック

大同特殊鋼株式会社

太平洋製鋼株式会社

中越合金鋳工株式会社
株式会社東芝TDK 株式会社
東邦チタニウム株式会社

TPR 株式会社
トピー工業株式会社

ニダック株式会社

日鉄テクノロジー株式会社

日鉄日新製鋼株式会社

日本製鉄株式会社

日本冶金工業株式会社

日立金属株式会社

福田金属箔粉工業株式会社

古河電気工業株式会社

三井金属鉱業株式会社

三菱アルミニウム株式会社

三菱製鋼株式会社

日本金属学会年春期(第回)講演大会
第回「高校生・高専学生ポスター発表」募集案内
申込締切日年月日(水)開催場所

東京工業大学大岡山キャンパス

開催日時 年月日(火)午後
対 象 者
発表方法

高校生および 3 年以下の高専学生
パネル(幅900 mm×高2100 mm)へのポスター掲示および説明

テ ー マ

材料に限定せず，フリーテーマです．

講演申込

https://www.jim.or.jp/convention/2020spring
まてりあ58巻12号801頁または本会ホームページ→2020年春期講演大会案内

詳細問合せ・連絡先公益社団法人日本金属学会

講演大会係

Email: annualm＠jim.or.jp◇

ま て り あ 第59巻 第 1 号(2020)
Materia Japan

◇

◇



年春期講演大会機器・書籍・カタログ展示会出展募集
大会プログラム掲載広告募集
年秋期講演大会(富山大学)
企画シンポジウムテーマ提案募集
提案期限
年月日(木)2020 年 3 月 17日(火)～ 19 日(木)の 3 日間，東京工業大学大岡山
キャンパスにて開催される春期講演大会会場内で機器・書籍および最新の研究や技術を発信し，多くの研究者・技術者が集い交流す

カタログの有料展示会を開催いたします．あわせて講演大会プログる魅力ある講演大会を目指して， 2017 年秋期講演大会より企画シ

ラム掲載の広告の募集もいたします．

ンポジウムを実施しています．従来の公募シンポジウムとは違い，企業の方に積極的に講演頂くため，講演概要原稿の提出は問いませ■機器・書籍展示

ん．講演発表は，一般(応募)講演枠は設けず，依頼講演および基調

研究開発用機器，書籍，ソフトウェア等の出展を募集します．

講演に限定いたします．

1 小間

次の要領をご参照のうえ，活発な討論が期待できる有益なテーマお間口1,800 mm，奥行き900 mm(予定)
展示台(テーブル)，椅子をご用意します．

＊電源を使用する場合は，予め必要電気容量(W)をお知らせ下さい．
出展料金 機器展示1 小間140,000円(税別)
書籍販売1 小間90,000円(税別)
申込締切

よび他学会との連携企画等積極的にご提案下さい．(提案様式はホームぺージよりダウンロードして下さい．）
詳細2020年 2 月 5 日(水)まてりあ58巻12月号806頁またはホームページ→講演大会→お知らせ

問合せ・照会先■カタログ展示
展示部数
出展料金(公社)日本金属学会

講演大会委員会宛Email: stevent＠jim.or.jp
 0222233685 %FAX 0222236312

2 点(A4 サイズ，8 頁以内)につき，30部以内
2 点につき 30,000円(税別)( 1 点増すごとに 10,000円(税
別)追加)

申込締切




年秋期講演大会(富山大学)
公募シンポジウムテーマ提案募集

2020年 2 月 5 日(水)■講演大会プログラム広告

提案期限
年月日(木)2020年 3 月 1 日
天地260 mm×左右180 mm
A4 版 1P

発行予定日
原稿寸法
入稿形態

1/2P 天地125 mm×左右180 mm
完全データ(グレースケール)
広告料金
掲載場所

普通頁

後付
後付

頁

掲載料金

1
1/2

70,000円
40,000円○上記の料金には消費税は含まれておりません．
○原稿制作費は別途ご請求させていただきます．

会員の研究活動一層の活性化を図ることを目的として，春秋大会
において会員からの提案テーマによるシンポジウム講演を実施いた
しており，活況を呈しております．今年の春期大会の公募シンポジ
ウムテーマを募集いたします．次の要領をご参照のうえ，活発な討論が期待できる有益なテーマを積極的にご提案下さい．(提案様式
はホームぺージよりダウンロードして下さい．
）
詳細まてりあ58巻12号806頁またはホームページ→講演大会→
お知らせ

問合・照会先申込締切

2020年 1 月30日(木)原稿締切

2020年 2 月 5 日(水)(公社)日本金属学会

講演大会委員会宛Email: stevent＠jim.or.jp
 0222233685 %FAX 0222236312■申込・問合先〒1040061 東京都中央区銀座 7124(友野本社ビル 7F)
株式会社

明報社

担当

 0335461337(代)月岡太郎

FAX 0335466306%

第
回男女共同参画ランチョンミーティング「金属材料分野での多様なキャリアパス」開催予告

Email: tsukioka＠meihosha.co.jp
URL: http://www.meihosha.co.jp/

金属材料分野でのキャリアパスとしてどのようなものがあるでしょうか．企業，大学，独法研究機関など様々です．また，一言で企業といっても様々な分野で活躍可能です．金属材料を学んだ先輩達がどのような進路で活躍しているか話を聞いてみませんか．
仕事のこと，キャリアの積み上げ方，家庭のこと，気になるいろ
いろなことを，お昼を食べながら，気楽に質問してみて下さい．学生さん，若手の研究者，技術者の方，若い方にエールを送りたい
方，大勢の方のご参加をお待ちしております．

◇

◇

◇

主

催

男女共同参画委員会日本金属学会・日本鉄鋼協会

協

賛

男女共同参画学協会連絡会日

日(木) ～
時 年月

会場

東京工業大学大岡山キャンパス(鉄鋼協会会場)(東京都目黒区大岡山 2121)

参加費

無料 弁当30人分までは無料提供．
(講演大会参加申込の有無にかかわらず，このミーティン
グに参加できます)

詳細は 2 号でお知らせいたします．



本 会 記 事
年春期講演大会会期中の託児室設置のお知らせの予告電子ジャーナル機関購読のご案内
機関( IP アドレス)認証による電子ジャーナルのご購読が可能となっております．ご利用下さい．

2020 年春期講演大会期間中，日本金属学会と日本鉄鋼協会が共同で託児室を開設いたします．詳細は 2 号でお知らせいたします．

対 象 誌

日本金属学会誌，Materials Transactions■設置期間および利用時間(開始，終了時間は予定です)
設置期間

年間購読料金

利用時間

別途お知らせいたします．お問合せ下さい．

対象機関

大学類，独立行政法人，企業等

問合せ先〒1050022 東京都港区海岸 1918

2020年 3 月17日(火)830～1730

3 月18日(水)830～1730

丸善雄松堂株式会社

3 月19日(木)830～1645

外国雑誌・e リソースセンター 036367
6114 %
FAX 0363676184

国際浜松町ビル

学術情報ソリューション事業部

Email: eproj＠maruzen.co.jp■場所東京工業大学大岡山キャンパス内(詳細はお申し込者の方のみ，ご案内)

各種賞推薦(自薦)のお願い
下記の推薦をお願いします．

第
回村上記念賞

候補者推薦のお願い

第
回論文賞

候補論文推薦(自薦)のお願い

推薦締切 年月日(金)推薦締切 年月日(金)推薦資格

本会代議員による推薦

対象論文

詳

まてりあ58巻12号797頁またはホームページ→表彰

細Materials Transactions: Vol.60
載分
推薦資格

第回村上奨励賞・第回奨励賞 候補者推薦のお願い

推薦資格

詳

細

会誌，欧文誌の編集委員，当該論文の査読者または本会

細まてりあ58巻12号798頁またはホームページ→表彰

個人を対象とします
本会代議員 1 名，講演大会委員 1 名または正員 3 名に第回まてりあ賞よる推薦
詳No.1 ～ 12 ( 2019 年 ) 掲

代議員による推薦，著者本人による自薦

推薦締切 年月日(金)候 補 者

日本金属学会誌第83巻 1～12号(2019年)掲載分

まてりあ58巻12号798頁またはホームページ→表彰

推薦(自薦)のお願い

推薦締切 年月日(金)
対象記事
推薦資格

2017年～2019年掲載済記事
会報編集委員または正員 3 名による推薦，著者本人に
よる自薦

詳

◇

◇

細

まてりあ58巻12号799頁またはホームページ→表彰◇

Materials Transactions 論文フリーアクセス公開サービス(Open Choice)について『公開後すぐに，できるだけ多くの読者に読んでもらいたい』というご要望に応えるため，投稿・掲載費用に，追加費用(3 万円)をお支払いいただければ，半年間の認証期間を設けることなく，公開即フリーダウンロードを可能とするサービス(Open Choice)を開始いたしました．
是非ご利用下さい．詳細は，ホームページ刊行物

ま て り あ 第59巻 第 1 号(2020)
Materia Japan→

欧文誌

をご参照下さい．

○講演会プログラム
三井金属竹原製煉所の最近の操業について
三井金属鉱業株式会社〈公募類記事〉
無料掲載募集人員，締切日，問合先のみ掲載．
有料掲載1/4頁(700～800文字)程度．
「まてりあ」とホームページに掲載15,000円＋税ホームページのみ掲載
10,000円＋税〈その他の記事〉 原則として有料掲載．
原稿締切・掲載号毎月 1 日締切で翌月号 1 回掲載
原稿提出方法電子メールと FAX 両方(受け取りメールの確認をして下さい)原稿送信先%FAX 0222236312 Email : materia＠jim.or.jp

集

竹原製煉所

の開発」プロジェクト

住友金属鉱山株式会社

金属事業本部

東予工場

DOWA メタルマイン株式会社

製錬部

部長
山中義則

国立研究開発法人

JX 金属株式会社

金属事業部製錬部

主任技師

田中貴金属(シンガポール)株式会社
阿部真太郎
東京大学

生産技術研究所
特任教授
講師

Dr. Philipp Walter 講師
物質・材料研究機構
第一会議場，講堂

国立研究開発法人

物質・材料研究機構

千現地区〈研究交流会・意見交換会〉
会場「レストラン

カポ・ペリカーノ」(東京大学医学部教育研

先端材料解析研究拠点運営室

究棟13階)

 0298513354(内線3861)○開催会場鉄門記念講堂(東京都文京区本郷 7
31

https://www.nims.go.jp/research/materialsanalysis/events/amcp_sympo2020.html

会

東京大学医学部教育研究棟14階)

https://www.utokyo.ac.jp/campusmap/cam01_02_09_ j.html○会費参加費 無料
資料代
■第回

3,000円(企業会員・学生等は無料)

2020年 3 月 6 日(金) 1400～
生産技術研究所 An 棟 2 階コンベンションホール

テーマ産業と SDGs と未来社会
午後 200～◇レアメタル研究会◇

資源循環と環境問題と SDGs(仮)レアメタル研究会

JX 金属株式会社
教授 岡部

特別理事

(前代表取締役社長)

徹■主 宰 者

東京大学生産技術研究所■協力(一財)生産技術研究奨励会(特別研究会 RC40)■共催

東京大学マテリアル工学セミナー

大井
東洋大学

東京大学生産技術研究所 持続型エネルギー・材料統合研究センター

滋

講師

廣瀬弥生

講師

循環経済と IT プラットフォームと未来社会(仮)情報連携学部(経営学)教授

レアメタルの環境調和型リサイクル技術の開発研究会
未来社会デザインとメタラジー(仮)
大阪大学

統括理事

副学長/日本鉄鋼協会

東京大学生産技術研究所 非鉄金属資源循環工学寄付
賛徹Heraeus Precious Metals, Vice President, Innovation

研究本館管理棟 1 階

催講師

貴金属の精錬とリサイクル研究・教育の最近の話題

岡部

URL

会長
田中敏宏

講師

研究部門(JX 金属寄付ユニット)★講演の順序は変更する可能性があります★

(公社)日本金属学会他

午後 600～
研究交流会・意見交換会(An 棟 2F ホワイエ)○開催会場東京大学 生産技術研究所 An 棟 2F コンベンション■参加登録・問合せ

岡部研

レアメタル研究会事務担当

宮嵜智子(okabelab＠iis.u
tokyo.ac.jp)
令和元年度レアメタル研究会のご案内■

講師

Heraeus Precious Metals 
Recycling now and in the futureEmail: amc＠ml.nims.go.jp■協講師

佐賀関製錬所における貴金属回収について

茨城県つくば市■主講師

DOWA グループにおける貴金属の製錬・リサイクルについて

非鉄金属資源循環工学寄付研究部門

10時00分～17時05分
17時20分～意見交換会

集

精金課長

新宮正寛

開催期日 年月日(金)

問合せ先

講師

貴金属湿式精錬プロセスにおける白金族回収について(仮)高温鉛はんだ代替を目指した銀導電性接着剤の開発(仮)催 「先進材料イノベーションを加速する最先端計測基盤技術

開催地

所長

野田眞治

竹内智久

会

◇NIMS 先端計測シンポジウム2020◇「データ科学と融合したオペランド・先端計測」
主金属事業本部

ホール 〒 153 8505 目黒区駒場 4 6 1 (最寄り駅
駒場東大前，東北沢，代々木上原)(2019.11.16現在)

第89回

2020年 1 月10日(金)(2019年度 第 4 回)
★貴金属シンポジウム(第 7 回)＋新年会★(合同開催)＊レアメタル研究会ホームページ＊

https://www.okabe.iis.utokyo.ac.jp/japanese/rc40_ j.html【会場鉄門記念講堂＠本郷】■

第90回

2020年 3 月 6 日(金)(2019年度 最終回)

2020年 1 月10日(金) 1400～ 鉄門記念講堂＠本郷★貴金属シンポジウム(第 7 回)＋新年会★(合同開催)■第回

テーマ貴金属の製錬・リサイクル
午後 200～



本 会 記 事北川

金属学会シンポジウム開催報告

宏(京大)は，「ハイエントロピー合金ナノ粒子の作製と触媒機能への展開」と題し講演し，触媒特性に優れた合金ナノ粒子を周期表における元素の位置を考慮したアルケミ

ハイエントロピー合金の材料科学ー的手法により，ハイエントロピー効果により固溶体状態で得られることを示し，優れた触媒特性が得られることを実証(セミナー・シンポジウム委員会企画)

した．構造材料としての研究が先行する中で，機能特性に関
開催日

2019年11月11日(月)場

エッサム神田ホール 2 号館(東京)所

してもハイエントロピー効果の有用性を示す画期的な例である．
尾方成信(阪大)は，「ハイエントロピー合金の力学特性の近年，ハイエントロピー合金と呼ばれる新規な多元系合金

モデリングとシミュレーション」において，構成元素の多さに興味が集まっており，世界的に活発な研究・開発が行われゆえに生じる困難さを指摘しつつ，計算科学の有用性を詳述ている．これは従来合金が示しえない特異な力学特性を示す

した．種々の原子間ポテンシャルを使った分子動力学計算か合金がハイエントロピー合金と呼ばれる合金の中に多数見つらハイエントロピー合金の強度が構成元素の平均原子変位やかっているからである．しかし，その理由については未だ不局所ひずみと相関があること，スラギッシュ拡散はいかなる明な点が多い．本シンポジウムでは，ハイエントロピー合金

合金系でも起こるわけではなく，一般論としては起こらないを理解する上で重要な合金形成能，原子構造，特異な物性，ことを示した．

組織制御，モデリングについて基礎から最新の知見まで討論伸泰(京大)は，「加工熱処理によるハイエントロピー

し，今後，ハイエントロピー合金研究が進むべき方向性につ合金のナノ/ミクロ組織制御」において， FCC 系， BCC 系

いて議論を深めた(11月11日，エッサム神田ホール，企画世のハイエントロピー合金では，通常の合金に比べると加工後

話人・講師 9 名，有料参加者数135名)．

熱処理中の粒成長が遅く，通常の合金では見られない，ナノメートルオーダーの非常に微細な完全再結晶粒が生じ易いこ晴行(京大)は，「ハイエントロピー合金研究の現状ととを示した．メカニズムの更なる解析を要するものの，組織将来展望」にて，ハイエントロピー合金の形成能，原子構

乾制御により優れた力学特性を達成できる期待を持たせる重要

造，特異な物性を 4 つのコア効果から概観し，従来合金にな知見である．

適用されるモデルでは説明がつかない現象やそれらを明らか

土谷浩一(物・材機構)は，「強加工と相変態によるハイエにするための新たな実験手法や考え方の必要性を詳述した．

ントロピー合金の組織制御」で， FCC 系のハイエントロピ

例えば，ハイエントロピー合金が示す非常に高い強度は，従ー合金では強ねじり加工で通常の合金に比べ小さなひずみ量

来合金の強度を説明するモデルでは不十分で，格子歪みに対で容易に微細組織が形成されること，積層欠陥エネルギー

応した平均原子変位で強度を整理する有用性を示した．

(FCCHCP 相のエネルギー差)を制御することによりマルテ竹内

ンサイト変態や双晶変形を利用して力学特性を制御できるこ章(東北大)は，「平均価電子濃度による高エントロとを示した．

ピー合金の構造制御」において，ハイエントロピー合金の形成能を考える上での平均価電子濃度の重要性を指摘し，形成

千葉晶彦(東北大)は，「電子ビーム積層造形法によって作が困難とされている HCP 構造を持つハイエントロピー合金製されたハイエントロピー合金の組織と強度」で， 2 ， 3 のの形成を例に取り，その有用性を詳述した．また，平均価電

ハイエントロピー合金の積層造形の例を示した．

子濃度による相形成予測を実証する前に行うソフトウェアを130人を越える多数の聴講参加者を得て，ハイエントロピ

使った熱力学計算の重要性も併せて示した．
小山敏幸(名大)は，「ハイエントロピー合金における拡散ー合金の構造，特性に関する活発な討論が丸 1 日の討論会と熱力学」にて，多元系合金の相互拡散理論について，詳細を通して行われ，当該合金の基礎，応用に関する理解が飛躍な説明を行い，ハイエントロピー合金のような多元系合金で的に高まった．

(文責乾)(企画世話人京都大 乾は構成元素間のエンタルピー項に起因した相互作用にる遅い

晴行)

拡散は起こっても，エントロピー項の高さに起因した所謂ス
ラギッシュ拡散は理論的に考えることができないことを明確
に示した．

◇

ま て り あ 第59巻 第 1 号(2020)
Materia Japan

◇

◇



日 本 金 属 学 会 誌 掲 載 論 文

Mitsuharu Todai, Takashi Fukuda and Tomoyuki Kakeshita

Vol. 84, No. 1（2020）―論文―
易酸化性元素 Mn を含む銅合金の大気溶解におけるNa2O B2O3 系フラックスによる耐火物の溶損とフラックスへの Mn 酸化物の溶解能の調査
長谷川

格

小泉琢哉

鈴木賢紀

Kinetic Arrest of R-B19′Transformation in IronNi Shape Memory Alloy
Doped Ti

田中敏宏

Orientation Dependence of Superelasticity andAlMn AlloyStress Hysteresis in Cu
Toshihiro Omori, Shingo Kawata and Ryosuke Kainuma

Internal Stress of Plate Martensite Depending on
Aspect Ratio via fcc-hcp Martensitic Transformation in Metastable Austenitic Stainless Steels
Yuki Wada, Nobuo Nakada and Susumu Onaka

鍛造 Ni 基超合金 Udimet 520 における等温時効熱処
理中の微細組織変化
山口義矢

阿部真弓

田島遼太郎

寺田芳弘

炭素クラスターの強化機構に関する原子論的研究
下川智嗣

安井紀一朗

新山友暁

木下惠介

澤田英明

銅めっきした鋼粒子を用いた微粒子ピーニングで創製された CuFe
Al 移着組織の微視的接合強度
市川裕士

所

竜太郎

亀山雄高

Deployable Rocket Nozzle Utilizing Superelastic
Titanium Alloy Sheet (Express Rapid Publication)
Hirobumi Tobe, Yuichi Matsuki, Shinsuke Takeuchi andEiichi Sato

―Regular Article―
Materials Physics

Crystal Structure Analysis of Irradiated Ni3Al Using Molecular Dynamics Simulation
Ahmad Ehsan Mohd Tamidi, Yasushi Sasajima andAkihiro Iwase

Auto-GenerationofCorrugatedNonpolar
Yoyo Hinuma,
Stoichiometric Slab Models

Materials Transactions 掲載論文
Vol. 61, No. 1（2020）―Review―
Effect of Alloying Elements on Fracture Toughness and Ductility in Magnesium Binary Alloys; A
Hidetoshi Somekawa
Review
A State of the Art Review of Dispersion and Inspection Techniques for Carbon Nanotubes(CNTs) into Matrix Composites
Hussein Zein and Yaser A. Al-Shataif―Special Issue on New Aspects of Martensitic
Transformations II―
Microstructural Characterization of Martensite
with Long Period Stacking Order Structure in Hf
Mitsuhiro Matsuda, Ryo Matsuoka,Co
Pd Alloy
Masatoshi Mitsuhara and Minoru Nishida

Change in Magnetic Susceptibility of Ti
Ni Shape
Memory Alloys Associated with Martensitic
Takashi Fukuda
Transformations
Isothermal Martensitic Transformations in an
Ni Alloy Containing Coherent
Aged Ni-Rich Ti
Hiroshi Akamine, Yohei Soejima,
Ti3Ni4 Particles
Tadaaki Nakamura, Farjami Sahar, Takashi Fukuda,
Tomoyuki Kakeshita and Minoru Nishida

Development of Digital Holographic Microscopefor In-Situ Surface Relief Measurement of LowCarbon Steel

Takashi Kamachi and Nobutsugu Hamamoto

Atomic Layer Deposition of AlGaN on GaN andCurrent Transport Mechanism in AlGaN/GaN
Hogyoung Kim, Hee Ju Yun,
Schottky Diodes
Seok Choi and Byung Joon Choi

Full-Potential KKR Calculations for Interaction
Energies in Al-Rich AlX (X＝H～Sn) Alloys: I.
Fundamental Features and Thermal Electronic
Contribution due to Fermi-Dirac Distribution
Mitsuhiro Asato, Chang Liu, Nobuhisa Fujima,
Toshiharu Hoshino and Tetsuo Mohri
Microstructure of Materials

Effect of Composition on Recrystallization Texture Formation of Aluminum Extrusions
Masahiro Araki and Kenji Matsuda
Mechanics of Materials

Effect of Rotation Speed on Electric Damage of
Copper Tribo/Electric Rolling Pairs under Lubricated Single-Point Contact
Zili Liu, Chenfei Song, Jiawei Li, Xinbin Hou, Li Wang andYongzhen Zhang

Microstructure and Mechanical Study on LaserZn
Mg Alloy
Arc-Welded Al
Jiaxing Gu, Shanglei Yang, Qi Xiong and Chenfeng Duan

Molecular Dynamics Study of Influences of NonGlide Stress on〈a〉Slips in Magnesium
So Yoshikawa and Daisuke Matsunaka

Junya Inoue, Shuhei Komine, Ryo Misaki and Kenji Sekido



本 会 記 事Mechanical Properties Prediction of Gray Cast
Iron Considering Trace Elements Based on Deep
Masato Shirai and Hiroshi Yamada
Learning

Materials Chemistry

Effect of Argon-Purged Cooling on Generating
Residual Stress in Oxide Scale Formed on Si-Containing Steels Examined by In Situ X-ray Diffraction and Finite Element Analysis

Effect of Sb Addition on the AlSi Eutectic of
Si Casting Alloys under Different
Hypoeutectic Al
Han Yan, Congcong Zhu, Zhen Wu andCooling Rates

Koji Sasaki, Kazushi Hayashi, Mikako Takeda,
Shohei Nakakubo, Yohei Yamada, Amane Kitahara,
Risei Wada and Isao Saeki

Wenli GaoEngineering Materials and Their Applications

Effect of Surface Texture of Steel Sheets on the
Crystal Orientation Relationship between Zinc
and Iron on Electrogalvanized Steel Sheets

Rate-Controlling Process of Compound Growth in
Cu-Clad Al Wire during Isothermal Annealing at
543 K
483

Yuki Imatani, Satoshi Oue, Akinobu Kobayashi,
Takehiro Takahashi, Yasuto Goto and Hiroaki Nakano

Takeshi Kizaki, Minho O and Masanori Kajihara

Suppression of Phosphorous Out-Diffusion in PH3
Plasma Immersion Ion-Implanted Germanium
Epilayer Grown on Silicon (100) Substrate
through SiOx Capping Layer

Leaching Behavior of Titanium from Na2TiO3Dong Ju Shin, Sung-Ho Joo, Dongseok Lee, Jung Shin Kang,
Min-Seuk Kim, Jin-Tae Park, Dong Joon Min andShun Myung Shin

Daeyoon Baek, Kyu-Hwan Shim, Sung-Nam Lee,
Woong-Ki Hong and Chel-Jong Choi

Materials Processing

Effect of Mass of Drop-Hammer in Impact Punching with PVA Gel as Working Medium

Performance of AZ31 Alloy as Anodes for Primary
Magnesium-Air Batteries under High Current DisIsao Nakatsugawa and Yasumasa Chino
chargeMasahito Katoh and Takuya Aihara

Peen Forming of Anisotropic Double-Curved Surface by Vibration Peening Using Rectangular
Takahiro Ohta
Solid Pin

Kinetics of Diffusion Induced Recrystallization in
Takeshi Kizaki, Minho O andthe Cu(Al) System
Masanori Kajihara

Effects of Mo, V and Nb Addition on Behavior ofContinuous Cooling Transformation of 16 ChroNobuya Sasaguri, Ryota Takao,
mium Cast Iron

Relation of Size Distribution of Cracks in Superconducting Layer to Critical Current Distribution
under Small Voltage Probe Spacing in REBCOSuperconducting Composite Tape

Kaoru Yamamoto, Yuzo Yokomizo and Yasuhiro Matsubara

Shojiro Ochiai and Hiroshi Okuda

まてりあ

第
巻

［金属なんでもランキング］ No.7 デバイ温度［プロムナード］
科学・技術と社会の関係を考える 2. 科学知とその構築に関する理解 ……………………柴田 清［最近の研究］強誘電体/誘電体研究への第一原理計算の展開………………………………森分博紀 田口綾子
TiO2 をコーティングしたインプラント用 TiNbSn合金の生体適合性 …………………………正橋直哉

第号

予告

［材 料 教 育］教員養成系大学・技術専攻での材料教育と形状記
憶合金を用いた中学校・技術科教材の開発……………………………………………北村一浩［新技術・新製品］―他―

編集の都合により変更になる場合がございます．

(2019年10月22日～2019年11月20日)

正

員

赤田英里
岩野悠佑
学

生

菊池健太
坂井節昌

三重県工業研究所
長野県工業技術総合センター

川崎健史
小瀬峻久

株式会社島津製作所

澤畑有輝
柴谷遼太朗

千葉工業大学

住友理工株式会社

月原亮太
西村公宏

日鉄建材株式会社

JFE スチール株式会社員
長岡技術科学大学
長岡技術科学大学

富山県立大学外国一般会員YI angho 立命館大学
Zhang Xin Hohai University

韓
光 植 国立研究開発法人 物質・材料研究機構
PHAM Thi Nu 横浜国立大学

外国学生会員DongDong Zhou Xinjiang University
薛
童 早稲田大学

ま て り あ 第59巻 第 1 号(2020)
Materia Japan



行
開催日

事

カ

名称・開催地・掲載号


年月
つけるとはがすの新技術分子接合と表面
9 ～10
制御コース(川崎)

レ

ン

主催

ダ

ー 太字本会主催(ホームページ掲載)
問合先

神奈川県立産業技 TEL 044
8192033
術総合研究所
ed＠newkast.or.jp
日本セラミックス funntai＠crl.nitech.ac.jp
協会基礎科学部会 http://www.ceramic.or.jp/bkiso
レアメタル研究会 TEL 035452
6314
okabelab＠iis.utokyo.ac.jp
https://www.okabe.iis.utokyo.ac.jp/
japanese/rc40_ j.html
日本金属学会北海 TEL 0117066842
道支部
jim-hokkaido＠eng.hokudai.ac.jp
表面技術協会関西 TEL 075
7811107
支部他
kansaioffice＠sfj.or.jp//
http: www.sssj.org/Kansai/goudou20117.
html
日本磁気学会TEL 0352810106
https://www.magnetics.jp/event/research/
topical_226/
日本表面真空学会 TEL 033812
0266
office＠jvss.jp
https://www.jvss.jp/

9 ～10

第58回 セラミックス基礎科学討論会(愛知)10

第89回レアメタル研究会(東大(本号60頁)



北海道支部 冬期講演大会並びに講演募集のお知らせ(札幌)(号頁)

17

表面科学技術研究会 2020 トライボロジーの最前線―ナノトライボロジーその場計測―(大阪)17日本磁気学会 スピン×センサ×IoT(東工大)

22～23

表面科学セミナー2020(実践編)「実践 マテリアルインフォマティクス
実際の作業を通して身につける材料データ科学」(東京理科大)22～23

LMP シンポジウム 2020 「レーザ加工技術の基
礎・応用と最新動向」(神戸)23～24

第48回ガスタービンセミナー(東大)24

炭素材料学会 1 月セミナー「エネルギー・環境
材料としてのポーラスカーボン～未来を拓く古くて新しいカーボン～」(東京)

炭素材料学会25

第25回高専シンポジウム in Kurume(久留米)28

第336回塑性加工シンポジウム「高張力鋼材せん
断加工部における 2 次的破壊の機構と対策」(東京電機大)久留米工業高専， TEL 094235
9300
高専シンポジウム sympo25＠kurume-nct.ac.jp
協議会
http://www.kurumenct.ac.jp/sympo25
日本塑性加工学会 https://www.jstp.or.jp

28～29

第166回塑性加工学講座「圧延加工の基礎と応用」 日本塑性加工学会 https://www.jstp.or.jp(東京電機大)28～29

第27回超音波による非破壊評価シンポジウム(東
京)

28～29

第 26 回『エレクトロニクスにおけるマイクロ接合・実装技術」シンポジウム(横浜)日本非破壊検査協 TEL 035609
4015 http://www.jsndi.jp/
会
nakamura＠jsndi.or.jp
スマートプロセス TEL 066878
5628 mate＠spsmste.jp
学会他
http://spsmste.jp/mate2020/src/

29

腐食防食部門委員会第332回例会(大阪)

日本材料学会30～2.1

第25回 電子デバイス界面テクノロジー研究会―材料・プロセス・デバイス特性の物理―(三島)31

第 18 回 ナ ノ テ ク ノ ロ ジ ー 総 合 シ ン ポ ジ ウ ム(JAPAN NANO 2020)(東京)

31

溶接部の腐食トラブル防止事例講習会(東京)

鉄門記念講堂)

締切
定員
20名
事前
12.20

1.10

TEL 0358236324
http://wwwit.jwes.or.jp/seminar/
日本ガスタービン gtsj
office＠gtsj.org http://www.gtsj.org/
学会

日本溶接協会TEL 0352278632
tansokoshukai＠bunken.co.jp
http://www.tanso.org/

TEL 0757615321 jimu＠jsms.jp
http://www.jsms.jp
電子デバイス界面 http://www.editws.jp/
テクノロジー研究会
物質・材料研究機 JAPANNANO＠nims.go.jp
構他
TEL 0298592777
https://www.nanonet.go.jp/
japannano/2020/

事前
1.20
定員
70名

参加
12.16

腐食防食学会TEL 0338151161
naito1130033＠jcorr.or.jp
http://www.jcorr.or.jp/

定員
70名


年月
第 33 回軽金属セミナー「アルミニウム合金の組
6織 ―中級編(時効析出)」(第 8 回)(日大)

軽金属学会

http://www.jilm.or.jp/

7

第337回塑性加工シンポジウム「深絞り・しごき
加工技術の最前線 ～製缶技術に学び，自動車の電動化へ～」(同志社大)日本塑性加工学会 https://www.jstp.or.jp

定員
40名
定員
80名

13

第191回腐食防食シンポジウム「わが国における腐食コストの推定結果と腐食コスト削減へのシナリオ」(東京)腐食防食学会他

TEL 0338151161
ysm.hng1130033＠jcorr.or.jp

14

第407回講習会「熟練のものづくり技術を次世代へ ―デジタルツールを駆使した技能・技術継承―」(東京理科大)

精密工学会

TEL 0352265191
https://www2.jspe.or.jp/

定員
60名




第回「若手フォーラム」ポスターセッション
併催(岡山)(号頁)

1.24

21

ウィンタースクール「トポロジー最適化の基礎～
積層造形によるものづくりへの応用～」(中央大)21

第192回腐食防食シンポジウム「わが国における腐食コストの推定結果と腐食コスト削減へのシナリオ」(大阪)日本金属学会中国 TEL 0862515227 FAX 0862518266
四国支部
takemoto＠mech.okayamau.ac.jp
日本計算工学会
TEL 0338688957 office＠jsces.org
http://www.jsces.org/
腐食防食学会他
TEL 0338151161
ysm.hng1130033＠jcorr.or.jp

21

本多光太郎博士生誕150年記念講演会（東京）



本多記念会

2.14

TEL 0222152868
http://hondakinenkai.or.jp/docs/150th_anniversary_of_the_birth_of_honda.pdf
本 会 記 事

開催日

名称・開催地・掲載号

主催

問合先

25

関西支部第 32 回技術研修会「塑性変形と加工における潤滑技術とその実例」(同志社大)日本塑性加工学会 kansosei＠mail.doshisha.ac.jp
関西支部

28

理研シンポジウム第 22 回「トライボコーティン
グの現状と将来」(東京)

理化学研究所大森 TEL 035918
7613
素 形 材 工 学 研 究 tribo＠tribocoati.st室，トライボコー
ティング技術研究
会


年月
第 1 回世界エンジニアリングデイ記念シンポジ
5
ウム(東大)

日本工学会

6

第 34 回軽金属セミナー「アルミニウム合金の組織 ―応用編(加工・熱処理による組織変化)」(第 6 回)(芝浦工大)

軽金属学会

6

第 45 回組織検査用試料の作り方(組織の現出)講
習会「鉄鋼材料・非鉄金属材料・表面改質処理および異常組織材」(千葉工大)

材料技術教育研究 TEL 047
4317451
会

6

第90回レアメタル研究会(東大生産技研)(本号60頁)

8 ～11

COMPSAFE2020 (第 3 回安心・安全・環境に関する計算理工学国際会議)(神戸)

12～14

2019年度量子ビームサイエンスフェスタ(水戸)レアメタル研究会 TEL 035452
6314
okabelab＠iis.utokyo.ac.jp
https://www.okabe.iis.utokyo.ac.jp/
japanese/rc40_ j.html
COMPSAFE2020 secretary＠compsafe2020.org
実行委員会
http://www.compsafe2020.org
高エネルギー加速 https://mlfinfo.jp/sp/qbs
festa/2019
器研究機構物質構
造科学研究所，J
PARC セ ン タ ー他

第回「高校生・高専学生ポスター発表」(東工大)(本号頁)

日本金属学会17～18

TEL 0362650672 eng＠jfes.or.jp
http://www.jfes.or.jp/
TEL 0335380232
http://www.jilm.or.jp/

定員
80名
定員
150名

定員
40名

2.28

annualm＠jim.or.jp

第 23 回 電磁気応用部門・磁粉・浸透・目視部
門・濡れ試験部門合同シンポジウム「表面探傷技
術による健全性診断，品質検査」(東京)

日本非破壊検査協 TEL 035609
4015
会
nakamura＠jsndi.or.jp
http://www.jsndi.jp/

講演申込
1.15
参加
2.21


～


日本金属学会春期講演大会(東京工業大学大岡山
キャンパス)(東京)(本号頁)

事前参加
2.28




第回男女共同参画ランチョンミーティング「金属材料分野での多様なキャリアパス」(東工大)TEL 0222233685 FAX 0222236312
annualm＠jim.or.jp
男女共同参画委員 TEL 0222233685会



企業説明会(東工大)(本号頁)

日本金属学会TEL 0222233685
jim.company2020＠jim.or.jp

日本希土類学会

TEL 0668797352
kidorui＠chem.eng.osakau.ac.jp
http://www.kidorui.org/


年月
第36回希土類討論会(札幌)19～20日本金属学会
年月
日本塑性加工学会
12～14
2020年度塑性加工春季講演会(名工大)29～7.3
PTM2020(8th International Conference on Solid 中国金属学会
Solid transformations in Inorganic Materials)(中
国西安)

年月
第57回アイソトープ・放射線研究発表会(東大)日本アイソトープ
7～9
協会

年月

～

日本金属学会秋期講演大会(富山大学五福キャン 日本金属学会
パス)(富山)年月
19～22
The 8th conference of Crystal Growth and Crystal アジア結晶成長おTechnology (CGCT8)第 8 回アジア結晶成長・結 よび結晶技術学会
晶技術国際会議(宮崎)
他

27～30

第 1 回地球環境のための炭素の究極利用技術に関するシンポジウム(奈良)TEL 0222233685

締切

日本鉄鋼協会https://www.jstp.or.jp
ptm2020＠csm.org.cn
http://www.ptm2020.com

TEL 0353958081 gakujutsu＠jrias.or.jp
http://www.jrias.or.jp/

TEL 0222233685 FAX 0222236312
annualm＠jim.or.jp
TEL 0668798730
yamanoik＠ile.osakau.ac.jp
https://www.opt.miyazakiuac.jp/hikari/
TEL 0752232311
http://web.apollon.nta.co.jp/CUUTE1/cuute1＠nta.co.jp年月
15～19
The 9th International Symposium on Surface 日本表面真空学会 isss9＠jvssjp
Science (ISSS9)(高松)https://www.jvss.jp/isss9/年月8 ～29
Mate2020 第 26 回『エレクトロニクスにおけるマ スマートプロセス TEL 0668785628 mate＠spsmste.jp
イクロ接合・実装技術」シンポジウム(横浜)学会他
http://spsmste.jp/mate2020/src/◇

ま て り あ 第59巻 第 1 号(2020)
Materia Japan

◇

発表
1.24

参加
9.22

◇



～日本金属学会誌，Mater. Trans. へ投稿しませんか～◎日本金属学会誌および Mater. Trans. は，会員，非会員問わず投稿することができます．
掲載論文充実化のため，レビュー，オーバービュー，技術論文など多くの種別を取り入れております．
会誌の投稿・掲載費用は無料です．
詳細は，本会ホームページ

→

or

会誌

Mater. Trans. のページをご覧下さい．

皆様のご投稿をお待ちしております．

◇

日本金属学会 年

春秋講演大会

開催日程◇

春期講演大会3 月17日(火)～3 月19日(木)東京工業大学大岡山キャンパス事前参加申込締切2 月28日(金)

秋期講演大会9 月16日(水)～9 月18日(金)富山大学五福キャンパスまてりあ 5 号会告予定

事務局より
皆様

新年あけましておめでとうございます．本年もどうぞ宜しくお願いいたします．

ただいま春期講演大会(東京工業大学)の事前参加(懇親会含む)登録を行っておりますので，ご確認下さい．
各種賞推薦依頼をしております(本号59頁)．是非，ご推薦下さい．
まてりあ編集委員会では，本年も新しい種別(企画)の記事を掲載して参ります．どうぞお楽しみ下さい．

2019, 2020年度会報編集委員会
委員
長
副 委 員 長
委
員

大塚
誠
竹田
修
池尾直子
大野直子
近藤亮太
杉浦夏子
佃
諭志
徳永透子
長谷川 誠
宮崎秀俊
山中謙太

石本卓也
小幡亜希子
齊藤信雄
芹澤
愛
堤
祐介
轟
直人
春本高志
宮澤知孝
山本剛久

ま て り あ 第巻 第号（） 発行日
発行所



井田駿太郎
木口賢紀
齊藤敬高
島克利
圓谷貴夫
永井
崇
藤枝
俊
宮部さやか
横山賢一

2020年 1 月 1 日

公益社団法人日本金属学会〒9808544 仙台市青葉区一番町一丁目1432
TEL 0222233685 FAX 0222236312

発
印
発(五十音順，敬称略）

上田恭介
北村一浩
佐々木秀顕
高山直樹
寺西
亮
長岡
亨
細川裕之
盛田元彰
吉矢真人

梅津理恵
小畠淳平
佐藤紘一
田中秀明
寺本武司
中村篤智
本間智之
森戸春彦
吉年規治

大石
郁
小柳禎彦
佐藤豊人
趙
研
土井康太郎
野山義裕
三井好古
諸岡
聡
李
海文

定価(本体,円＋税)送料円
行
刷
売

人
所
所

山村英明
小宮山印刷工業株式会社
丸善雄松堂株式会社〒1600002 東京都新宿区四谷坂町 1010

本 会 記 事

2020年 1 月 1 日発行「まてりあ」