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次世代軟磁性材料社会実装推進センター


1.次世代軟磁性材料社会実装推進センター


当センターは2022年4月に設立されました。優れた特性を持ちながらも実用化に至っていない軟磁性材料に着目し、実用化を阻む壁となっている種々の技術的障壁を乗り越えて社会実装に到達するための研究を、大学の有する幅広い「知」の活用によって推進します。人材育成、知的財産権の創出、企業との連携など、教育及び産業の振興にも貢献します。




2.研究紹介





軟磁性材料とは鉄を代表とする、外部からの磁場によって磁石の性質を持ち、なおかつ磁場の変化に磁石の性質がよく追従する材料です。モーターやトランス、センサーなどの電磁気を応用した製品中で欠かせない材料であり、それらの製品のエネルギー効率や小型化に大きな影響を与えます。電気自動車の普及などからも明らかなように、運輸機器をはじめとした身の回りの製品が電化していくなかで、軟磁性材料の重要性はますます高まっており、新しい軟磁性材料の開発が進んでいます。

軟磁性材料をモーターやセンサーなどの製品の形にするためには種々の加工技術が必要になります。優れた軟磁性材料が多くの研究者の努力によって開発されましたが、加工が困難であったり、加工によって優れた磁気特性を失ってしまったりする等の課題を越えられず、未だ社会実装に至っていない軟磁性材料がたくさんあります。

本研究センターは”軟磁性材料改良部門”、”鉄心成形部門”、”鉄心評価・解析部門”、”新世代鉄心用途調査部門”の四部門で構成され、材料からモノ作りまでを視野に入れた一体的な研究開発体制の下、実用化への壁を乗り越えられない次世代軟磁性材料の社会実装を目指します。



軟磁性材料改良部門


工学研究院物質工学専攻マテリアル工学コース 本塚智 准教授


● 研究内容
軟磁性材料の高機能化を目指し、主にボールミルを使った組織制御を研究しています。

1.軟磁性材料の偏平化
粉末状の軟磁性材料の欠点として、反磁場が強い点が挙げられます。反磁場とは外部から磁場を作用させた際、それを打ち消すように材料内部に発生する磁場です。反磁場は外部磁場の方向に対して長い材料では弱くなるため、この点で板状の材料が優れています。これに対し、球状の材料は最も反磁場が大きくなってしまう形状であり、粉末は板と比較して球に近いため反磁場が強くなってしまいます。ボールミルは材料と硬質材料の球を容器中に入れ、その容器を運動させることで、球と材料を衝突させることができます。この時、粉末状の軟磁性材料を板状にすることができます。このボールミルの特性を利用して、軟磁性材料中の反磁場を抑制する研究を行っています。

2.磁化容易軸の制御
金属は金属原子の集合体ですが、その原子は周期的に配列しています。この配列に対して外部磁場を作用させると、磁気を帯びやすい方向と帯びにくい方向があることがわかります。磁気を帯びやすい方向を磁化容易軸と呼びます。さて、ボールミルで金属系の軟磁性材料を処理すると板状に変形するのですが、それだけでなく原子の配列の方向を制御することができます。磁気を帯びやすい磁化容易軸と外部磁場の方向を揃えることで、軟磁性材料の特性を改善することができます。このボールミル加工の特徴を活用して、金属系軟磁性材料の特性の向上に取り組んでいます。

3.粉体特性と磁気特性の関係の解明
材料の形状には板や棒などがありますが、これらに対して粉体だけがもつ特徴として、表面積が大きい点が挙げられます。軟磁性材料として粉体を扱う場合、子の表面積の大きさを考慮する必要があります。表面積が大きいと、材料が周囲物質と反応しやすくなったり、材料自身の磁気特性を変化させたりするためです。しかし、この粉体特性と磁気特性の関係はあまり調べられておりません。これを解明して、粉体を軟磁性材料として応用するための基礎データにしたいと考えています。

● 研究設備
遠心ボールミル、アトリションミル、ポットミル、雰囲気炉、雰囲気ロータリーキルン、高真空炉、原子間力顕微鏡、研磨機、光学顕微鏡、グローブボックス、比表面積測定装置



鉄心成形部門


情報工学研究院知的システム工学専攻 楢原弘之 教授 (部門長)


● 研究内容
金型加工技術や3Dプリンタの応用技術を活用して、軟磁性材料の成形に取り組みます。

1.軟磁性材料の加工特性の評価

2.軟磁性材料を用いた鉄心成形技術の研究

● 研究設備
金属アディディブ・マニュファクチャリング装置、レーザマーカー、マシニングセンター、ワイヤー放電加工機、射出成形機、3次元測定機、ワンショット3D形状測定機


工学研究院機械知能工学研究系 森直樹 教授


● 研究内容
一部の次世代軟磁性材料は素材単体としては優れた特性を発揮するにもかかわらず、製品へ適用する際には加工することが要求されます。この加工工程においては様々なアプローチが有りますが、素材の特性を著しく損なうものが少なくありません。素材の特性を活かす加工のプロセスを評価し、その結果をほかの部門にフィードバックすることで、特性を失う原因を明らかにします。


1.素材単体の加工工程評価
素材の加工特性を様々な条件で評価します。

2.鉄心加工後の素材の特性評価
実使用の形状に加工した軟磁性材料を使用条件に近い形で加工性能評価をします。実使用時には温度変化や様々な力が加わるなどの状況もありえるため、これらの相互関係も明らかにしていきます。

● 研究設備
工具動力計、各種工作機械、光学顕微鏡


生命体工学研究科 生体機能応用工学専攻 安藤義人 准教授


● 研究内容
軟磁性材料と樹脂との組み合わせは多様な用途を生み出します。例えば、モーターやトランスの鉄心として応用するためには、軟磁性材料を電気的に孤立させる絶縁技術が重要となり、そこで用いられるのがポリマー材料になります。また、ポリマー材料には絶縁性だけでなく、耐熱性や細かい隙間に入り込む浸透性が要求されるため、接着剤、塗料、フィルムなど幅広い用途への展開が可能です。また、樹脂との複合材は金属の加工に比べて加工しやすい特長があるため、環境にも優しくなります。

1.軟磁性材料との樹脂複合化
粉末状の軟磁性材料と樹脂を溶融混錬することによって樹脂でありながら、磁性を持つ材料を作ることができます。様々な樹脂との組み合わせを行うことで放熱性樹脂シートや磁性を持つ樹脂成形体、さらにはそれらの特徴を持つFDM方式の3Dプリンタ用フィラメント材などの開発を行っています。

2.樹脂界面と軟磁性材料界面との接着性
軟磁性材料をはじめとする金属の表面は酸化皮膜で覆われています。その酸化被膜と親和性の高い樹脂材料を組み合わせることは、シートや粒子など形状が異なっていても材料同士を強く接着することができます。また、きれいに樹脂で表面を被覆することで材料の絶縁性を生み出し、材料表面を保護することもできます。現在は、軟磁性材料に対して親和性の高い樹脂と組み合わせた絶縁性を持つ材料の開発を行っています。

● 研究設備
小型二軸エクストルーダー、中型二軸エクストルーダー、自動乳鉢、ポットミル、オートクレーブ、ホモジナイザー、凍結乾燥機、遠心分離機、ゲル透過クロマトグラフィー、接触角測定装置、引張試験機、フーリエ変換赤外分光光度計、紫外可視分光光度計、顕微FTIR、サイクリックボルタンメトリー、スピンコーター、熱プレス機、熱重量分析機、電子顕微鏡、原子間力顕微鏡、X線回折装置、小型射出成型機



鉄心評価・解析部門


工学研究院電気電子工学専攻 竹澤昌晃 教授


● 研究内容
一部の次世代軟磁性材料は素材単体としては優れた特性を発揮するにもかかわらず、鉄心などに加工するとその特性を著しく損なうものが少なくありません。Kerr効果顕微鏡と呼ばれる、材料の磁化の様子を直接観察できる手法を活用して、なぜ加工によって磁気特性が損なわれるのかを明らかにします。

1.磁気Kerr効果顕微鏡を用いた軟磁性材料の磁区観察技術
磁気Kerr効果顕微鏡は磁性材料の磁化の変化を直接観察(磁気イメージング、磁区観察)できる強力なツールですが、鮮明な磁気イメージング像を得るためには試料表面を研磨により鏡面状態にする必要があります。しかし、最適でない機械研磨や試料の観察治具への固定は、試料に機械的な歪みを与えてしまいます。磁区観察によって軟磁性材料の磁気特性分布を正確に評価するためには、これらの歪みの影響を取り除くことが重要であり、軟磁性材料の種類によって異なる最適な研磨条件や試料の最適な固定方法などを検討する必要があります。さらには、軟磁性材料をモータや変圧器へ適用した際の実機状態での観察も可能とするような顕微鏡の試料ステージを開発も望まれます。これらの研究を通じて、軟磁性材料の磁区観察技術の確立を目指します。

2.磁区観察による軟磁性材料の局所磁気特性分布の評価
軟磁性材料の磁気特性は、磁性体内部の「磁区(微小な磁気モーメントの方向が揃った領域)」の構造によって大きな影響を受けます。磁区構造は軟磁性材料の結晶組織や粒径、形状、さらには材料に加えられる熱や歪みの影響を受けて大きく変化するため、磁性材料の特性発現の原理を明らかにするためには磁区の可視化(磁気イメージング)が非常に有用な手段となります。磁気Kerr効果を利用した磁区観察によって軟磁性材料の磁気特性発現の原理を明らかにして、最適な材料開発の指針を得ることを目指します。

3.実機の鉄心(磁性体コア)を想定した磁気特性評価
軟磁性材料をモータや変圧器などに適用する場合、それら材料を鉄心(磁性体コア)形状に成形・加工する必要がありますが、その工程で軟磁性材料が本来有している磁気特性が劣化してしまうことが度々起こります。これは、成形・加工によって軟磁性材料の結晶組織が変化したり局所的に歪みが導入されたりすることによって起こると考えられていますが、その原因を解明するためには実機の鉄心そのものの局所的な磁気特性を評価する必要があります。磁区観察はこの局所的磁気特性評価に有用な手段であり、これにより加工・成形による磁気特性劣化の原因を解明することで、最適な鉄心の加工・成形法を確立することを目指します。

● 研究設備
磁気Kerr効果顕微鏡、研磨機、低速精密切断機、熱処理装置、振動試料型磁力計、直流磁化曲線測定装置、インピーダンスアナライザ、真空蒸着装置、スパッタ装置、高周波誘導加熱式合金溶解炉、単ロール急冷装置、回転液中紡糸装置


生命体工学研究科生体機能応用工学専攻 佐々木巌 客員教授


● 研究内容
一部の次世代軟磁性材料は素材単体としては優れた特性を発揮するにもかかわらず、実使用の形状に加工するとその特性を著しく損なうものが少なくありません。加工前後の磁気特性を評価し、その結果をほかの部門にフィードバックすることで、特性を失う原因を明らかにします。また、様々な磁性材料において軟磁性材料がどうして外部からの磁場によって磁石の性質を持ち、なおかつ磁場の変化に磁石の性質がよく追従するのかという根本的な問題にも興味を持って研究を進めています。

1.素材単体の磁気特性評価
素材の磁気特性を様々な条件で測定します。

2.鉄心加工後の磁気特性評価
実使用の形状に加工した軟磁性材料を使用条件に近い形で磁気特性評価をします。実使用時には温度変化や力が加わるなどの状況もありえるため、これらの影響も明らかにしていきます。

3.軟磁性材料の特性発現メカニズムの解明
軟磁性材料は鉄やその合金が利用されます。これらの合金は純度や組織形態により磁気特性が変化することが知られていますが、その詳細が統一的に明らかになっているとは言えません。高純度鉄シリコン合金を調べる事により軟磁性特性発現のメカニズムを調べています。

● 研究設備
振動試料型磁力計、研磨機、光学顕微鏡



新世代鉄心用途調査部門


● 研究内容
新世代鉄心用途調査部門では、各部門のメンバーの知見および研究から得られた知見を活用して、軟磁性材の新たな用途を探索します。



3.メンバー


軟磁性素材改良部門


● 工学研究院物質工学専攻マテリアル工学コース 本塚智 准教授
< 略 歴 >
2002年3月に福井工業高等専門学校を卒業、2004年3月に豊橋技術科学大学の学部課程を卒業後、2006年に東北大学で博士前期課程を修了し、2006年から2010年まで日本ガイシ㈱の設計部門に勤務。2010年から岐阜工業高等専門学校に助教として着任し、2013年に東京工業大学にて博士(工学)の学位を取得。2019年に九州工業大学工学研究院にテニュアトラック准教授として着任。2021年にテニュア取得、2022年に次世代軟磁性材料社会実装推進センターのセンター長に着任。主に金属および無機材料の粉体を対象に、その界面で誘起されるメカノケミカル現象の解明を研究の核とし、それを応用しての新規機能性材料の開発に取り組んでいます。


准教授 本塚 智



鉄心成形部門


● 情報工学研究院知的システム工学専攻 楢原弘之 教授 
< 略 歴 >
1987年3月に東京大学にて修士課程を終了後、1988年4月北海道大学工学部精密工学科助手、1995年3月に北海道大学にて博士(工学)の学位を取得後、1996年10月に九州工業大学情報工学部機械システム工学科助教授に着任、2007年教授となり現在に至る。アディティブ・マニュファクチャリング、ロバスト品質設計、型技術の研究で、高付加価値なものづくりを実現する取り組みを行っています。


教授 楢原 弘之



● 工学研究院機械知能工学研究系 森直樹 教授
< 略 歴 >
1984年にアイシン高丘で勤務、1986年からメイホーに勤務し、2001年にFAIS(北九州産業学術推進機構)に勤務。2014年より九州工業大学工学研究院に教授として着任。
プラスチック成形加工に関しては、射出成形における新規成形システム、成形品の物性、精度向上、流動解析及び成形品の強度解析などに取り組んでいます。微細加工に関しては 微細工具の開発、切削加工のシュミレーション、難加工材の切削に取り組んでおります。また、機械要素に関する研究として、螺子の緩み止めに関する機構、部品の設計公差、適正化などに取り組んでいます。


教授 森 直樹


● 生命体工学研究科 生体機能応用工学専攻 安藤義人 准教授
※アドバイザリースタッフ
< 略 歴 >
2002年3月に宮崎大学にて博士(工学)の学位を取得後、近畿大学分子工学研究所にて博士研究員、2007年に同所助教に着任。2010年九州工業大学エコタウン実証研究センター・准教授に着任。2015年マレーシア・サテライトキャンパスMSSC副オフィス長を兼務。2017年イノベーション推進機構(現オープンイノベーション推進機構)の准教授に着任。2020年MSSCオフィス長、グリーンマテリアル研究センターのセンター長を兼務。有機化学、高分子化学の分野を背景にバイオマスという材料の特性を理解し、応用した機能性材料の開発を進めています。


准教授 安藤 義人



● 工学研究院電気電子工学専攻 竹澤昌晃 教授 
< 略 歴 >
1999年3月に東北大学にて博士(工学)の学位を取得後、東北大学電気通信研究所にて助手、同年12月に九州工業大学助手に着任。2008年4月同大学准教授、2016年5月同大学教授、現在に至る。磁気Kerr効果顕微鏡を用いた磁区観察を研究の核として、主として磁気工学の研究に従事しています。
電気・ハイブリッド自動車の駆動モータに用いられる磁石・鉄心材料や、医療用環境磁気計測に用いられる磁気センサなどの性能向上を目指して、高性能な磁性材料の開発とその磁気特性の評価の両面から研究を進めています。特に磁気特性評価について、磁気光学効果(磁気Kerr効果)を利用した磁気イメージング顕微鏡を用いて磁性材料のミクロな磁化情報を明らかにすることで、高性能な磁性材料の設計指針を導出しています。


教授 竹澤 昌晃



軟磁性素材改良部門


● 生命体工学研究科生体機能応用工学専攻 佐々木巌 客員教授 
< 略 歴 >
1988年3月に山口大学の修士課程を修了後,現在の安川電機に勤務。2001年に広島大学にて博士(学術)の学位を取得。2011年から九州工業大学大学院生命体工学研究科で客員教授を併任。マイクロ・ナノスケールで出現する特異な現象を利用し、モータやロボットといったメカトロニクス分野で使用される機器の性能アップを目指しています。特に、磁性材料・センサ材料・固体潤滑材料などの機能性材料に興味を持って、実験的に特性向上のメカニズム検証をしています。


客員教授 佐々木 巌

新世代鉄心用途調査部門


● 工学研究院電気電子工学専攻 小森望充 教授
< 略 歴 >
1984年に大阪大学基礎工学研究科(制御機器)博士前期課程修了後,日本国有鉄道技術研究所入社,九州大学にて1994年に博士(工学)を取得後,1995年に九州工業大学情報工学部機械システム工学科助教授,2003年に九州工業大学工学研究科機能システム創成工学専攻教授,2019年に電気電子工学科教授に就任。主に電磁力を用いた機器・アクチュエータ,磁気軸受や磁気浮上に関する教育・研究に従事しています。


客員教授 佐々木 巌



外部研究員


● 名古屋工業大学 大学院工学研究科 物理工学専攻/物理工学教育類 佐藤尚 准教授
< 略 歴 >
2004年3月に東京工業大学にて博士(工学)の学位を取得後、同年に東京工業大学、マックスプランク鉄鋼研究所にて研究員、2005年5月に名古屋工業大学助教に着任。2009年4月同大学准教授、現在に至る。


客員教授 佐々木 巌




4.研究業績


2021

1.Satoshi Motozuka, Yuki Mako, Hisashi Sato, Hirofumi Hojo, Yasuo Okazaki, “Effect of lubricant milling aids on the recrystallization behavior and magnetic properties of ball-milled iron powders having (0 0 1) fiber texture for soft magnetic composite”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 521, 167548 (2021) .

2.Satoshi Motozuka, Hisahi Sato, Hidenori Kuwata, Mitsuo Bito, Yasuo Okazaki, “Motozuka, Satoshi, et al. "Preparation of flake-shaped Fe-based nanocrystalline soft magnetic alloy particles subjected to plastic deformation”, Philosophical Magazine Letters in press (2021).


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