JP2000164414A - 金属細線、磁気素子およびその製造方法 - Google Patents

金属細線、磁気素子およびその製造方法

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佳年雄 毛利
Terumasa Yoshinaga
輝政 吉永
Katsuhiro Kawashima
克裕 川島
Shinji Furukawa
伸治 古川
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    • H01F1/01Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials
    • H01F1/03Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity
    • H01F1/12Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials
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    • H01F1/147Alloys characterised by their composition
    • H01F1/153Amorphous metallic alloys, e.g. glassy metals
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 磁歪が小さく、外部磁界により急峻な磁化反
転をして固有の電圧信号を発することのできる細い金属
細線を提供する。 【解決手段】 金属細線は、飽和磁歪定数の絶対値が1
×10-6以下であり、円形断面を有し線径が10μm以
下であり、外部から磁界が印加されると急峻な磁化反転
を示す磁気特性を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、外部から磁界が印
加されると急峻な磁化反転を示す金属細線、磁気素子お
よびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】外部から磁界が印加されると急峻な磁化
反転を示す磁気素子は、素子固有な信号を発することが
できるために様々な分野で利用されている。このような
材料の一つとして、例えば大バルクハウゼン効果を示す
材料がある。大バルクハウゼン効果とは、外部から磁界
を印加して素子を励磁した際に、励磁磁界が臨界強度以
下では磁化が反転せず、臨界強度を超えた瞬間に磁化反
転して磁化のジャンプを生じる特性を言い、ヒステリシ
ス特性には特有のステップ状の不連続変化が生じる。大
バルクハウゼン効果を示す磁気素子は、磁化反転に伴っ
て生じる信号の強度が励磁周波数に影響されにくい等の
特性があり、近年セキュリティタグや回転センサに利用
されている(例えば、特公平3−27958号公報な
ど)。
【0003】また、素子の製造条件により、大バルクハ
ウゼン効果を示す磁界強度を制御できるために、反転磁
界の異なる素子を組み合わせることによって、個別の固
有情報を持たせることができる。これらの素子では信号
の検知が非接触で行えることから、スキー場のリフト券
やスポーツクラブの管理タグなどで利用されるデータキ
ャリアや人の入出管理、家畜の管理、製造や販売におけ
る仕分けなどに利用されるIDタグやトランスポンダ等
の小型携帯端末への利用が試みられている。
【0004】大バルクハウゼン効果を示す材料として
は、具体的には正または負の大きな磁歪を有する非晶質
金属細線がある。これらのワイヤは、液体超急冷法によ
って製造され、鋳造された段階でワイヤ軸方向に磁化を
持つ内心部と、面に垂直な磁化を持つ外殻部からなる磁
区構造を示しており、この構造に起因して大バルクハウ
ゼン反転特性が発生する。
【0005】液体超急冷法により通常50〜300μm
の線径のものが鋳造される。また、より細いワイヤが必
要な場合は、ワイヤをダイヤモンドダイスで冷間伸線す
る方法が開発されている。冷間伸線したワイヤは加工歪
みが強く残留し、軟磁性を失っているが、張力を重畳し
ながら熱処理することによって大バルクハウゼン反転特
性は復活し、さらにその臨界反転磁界値などを制御でき
る。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】識別用の磁気素子など
を小型携帯端末に内蔵させる手段の1つとして、ホット
プレスやラミネートなどで携帯端末の匡体内に一体成形
する方法が求められている。この方法は非常に簡易であ
るため、大量生産に適している。しかし、端末内部に磁
気素子を内蔵しようとすると、特性が劣化してしまう場
合が多かった。一般に軟磁性体は材料が本質的に有する
磁歪を介して応力により磁気特性が変化してしまう(磁
気弾性効果)ため、応力に敏感である。そのため加工時
に受ける応力によって磁気素子の性能が変化しやすかっ
た。この問題を解決するために、予めフィルムや樹脂な
どによって磁気素子を覆っておき、加工時の応力を緩和
させて影響を受けにくくする方法なども開発されてい
る。しかし、工程が複雑になる問題点があり、また、加
工中や使用中に振動などの外乱応力の影響を受け不安定
となる場合もあった。
【0007】磁気弾性効果の影響を小さくするために
は、材料の磁歪をできるだけ零に近づけることが有効で
ある。従って、零磁歪近傍の組成の金属細線で急峻な磁
化反転を示す材料が求められていた。しかし、非晶質金
属細線の大バルクハウゼン反転特性を発生させるために
は、内心部の張力層における磁歪による異方性エネルギ
ーが本質的な役割を果たしており、上述した従来の製法
では、磁歪が零に近い組成のワイヤでは大バルクハウゼ
ン効果を生じさせることはできなかった。
【0008】また一方で、従来の磁歪の大きな非晶質金
属細線は、線径が約150μm径から約30μm径のも
ので大バルクハウゼン効果を示すものが得られていた
が、近年データタグや小型携帯端末の形状はより小型化
へと向かっているため、磁気素子もそれに伴い小型化へ
の強い要望があった。しかし、30μm径の金属細線で
も素子長が10mm程度よりも短くなると、磁化のジャン
プを示さなくなり使用することができなかった。これは
反磁界の影響であって、反磁界を小さくするためには素
子のアスペクト比を大きくするのが有効であるのは明ら
かである。しかし、素子の線径を細くするためにより細
径のダイスで伸線しようとしても、10μm径以下にな
ると切断が多発して困難であった。また従来の方法で
は、磁化が跳躍する特性を得るために、伸線の後に張力
熱処理を施す必要があったが、10μm径以下の極細線
にそのような熱処理を施すことは困難であり、張力変動
によって臨界磁界値が変化しやすいという問題点もあっ
た。従ってより素子長の短い小さな素子が求められてい
る。しかし、現状では線径が約150μm径から約30
μm径、素子長が70mmから15mmの金属細線が用いら
れているにすぎなかった。
【0009】本発明の目的は、磁歪が零に近い材料にお
いても、外部から磁界が印加されると急峻な磁化反転を
して固有の電圧信号を発することのできる線径が細い金
属細線、磁気素子およびその製造方法を提供することで
ある。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明に係る金属細線
は、飽和磁歪定数の絶対値が1×10-6以下で線径が1
0μm以下の円形断面を有し、外部から磁界が印加され
ると急峻な磁化反転を示す磁気特性を有することを特徴
とする。従来は、飽和磁歪定数の絶対値が1×10-6
下であり円形断面を有し線径が10μm以下の金属細線
で、急峻な磁化反転を示す材料はこれまで得られていな
かった。本発明では、飽和磁歪定数の絶対値が1×10
-6以下である零磁歪に近い材料においても、軸方向異方
性エネルギーが高く、外部から磁界が印加されると急峻
な磁化反転をして固有の電圧信号を発することのできる
細い金属細線を提供する。
【0011】また、本発明に係る磁気素子は、上述の金
属細線、および、この金属細線を保持する保持部とから
なる。
【0012】また、本発明に係る金属細線の製造方法の
発明は、上述の金属細線を製造するにあたって、鋳造に
より原線を作成し、原線をエッチングして金属細線を製
造することを特徴とする。または、必要ならば、鋳造後
に、原線に対して機械加工(伸線など)を施した後で、
エッチングを施す。
【0013】
【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照して本発
明の実施の形態を説明する。本発明の実施形態に係る磁
性線は、例えば原線のエッチングにより製造される。原
線としては、その結晶構造は問わないが、例えば液体急
冷法で鋳造された非晶質金属細線またはその細線を伸線
した後に熱処理した細線が、材料の一様性や強靭弾性体
であることなどから好ましい。特に適度な張力で熱処理
された後者のものがより好ましく、例えば10kg/mm2
以下の比較的低張力の条件は好ましい範囲である。この
原線の線径は、例えば液体超急冷法で鋳造された約15
0μm径のものから、それを伸線した約30μm径のも
のまで使用することができるが、特に100μm径以下
が好ましく、最終製品として微小な線径の細線が必要な
場合には50μm径以下、特には30μm径以下がエッ
チングが容易であり好ましい。エッチング後の線径は、
ワイヤ軸方向の高い異方性エネルギーを得るため10μ
m以下が好ましいが、5μm以下が特に好ましい。
【0014】本発明の金属細線は、飽和磁歪の絶対値が
1×10-6以下であり、従来の材料に比べて磁気弾性効
果の影響が極めて小さなことが特徴である。このよう
に、材料をいわゆる零磁歪にするためには細線の合金組
成の選択は重要である。磁歪特性は合金組成中のFe、
Ni、Coの強磁性元素の比に著しく影響されるため、
これらの元素比には好適な範囲がある。例えば、Feと
Coを含む合金においては、CoとFeの含有比(Co
/Feであらわす)を、90/10〜96/4にすると
磁歪定数を零に近くすることができる。また、NiとF
eを含む合金では、NiとFeの含有比(Ni/Feで
あらわす)を、80/20〜86/14にすると磁歪定
数を零に近くすることができる。このように、好適な範
囲に幅があるのは、強磁性元素の比以外に、Mn、C
r、Mo、Pd、Siなどの非磁性元素によっても磁歪
特性が変化するほか、結晶質合金と非晶質合金でも磁歪
特性が異なるためである。また、同様の組成でも熱処理
などによって磁歪特性が微妙に変化する。非晶質合金
は、優れた軟磁性を得易く、また機械的強度も高いこと
から、本発明には好適な材料であるが、特にCoFeS
iBの合金系は最も好適である。この合金系のうちSi
とBの組成がそれぞれ12.5原子%、15原子%の合
金では、おおむね94/6のCo/Fe比で、絶対値が
1×10-6以下の零磁歪材料が得られる。
【0015】エッチングにおいて、エッチング溶液とし
て硝酸、塩酸、リン酸または硫酸等の酸またはその混合
物などを用いることができる。エッチングにおいて、非
晶質金属細線を浸積する方法が簡易的である。また、エ
ッチング溶液中で金属細線を走行させて巻取ることによ
ってより長い細線を均一にエッチングすることができ
る。さらに金属細線に電位を印加する電解研磨法を用い
ても良い。溶液の濃度は60%以下の水溶液が、均一で
平滑なエッチング材を得るために好ましく、20%以下
がより好ましい。こうして、エッチングによる微細加工
により、線径が10μm径以下の極細線を容易に得られ
る。
【0016】この磁性線(金属細線)に対して外部から
交番磁界が印加されると、外部磁界強度が特定のレベル
に達すると、磁性線は急峻な磁化反転を示して素子の周
回コイルに電圧パルスを誘起する。この磁性線は磁歪が
零に近い組成であることから、磁性線を組み込んだ磁気
素子に応力が加わった場合でも、磁気特性に及ぼす影響
が小さいため、応力による特性の劣化が少なく、小型携
帯端末に素子を埋め込んで使用する場合などに好適であ
る。
【0017】また、従来は鉄系磁歪線は耐食性が低いと
いう問題点もあった。上述の組成では、従来用いられて
いる正の磁歪の材料の組成に比べ、鉄基の含有率が小さ
いことから、耐食性に優れている。
【0018】以下、本発明を、さらに具体的に説明す
る。溶融状態から鋳造したCo68.15Fe4.35Si12.5
15(原子%)非晶質金属細線を、ダイヤモンドダイス
によって線径30μmに伸線し、3kg/mm2張力下で5
20℃で熱処理して、原線を得た。この原線の飽和磁歪
定数は−0.7×10-6であって非常に小さく、ほぼ零
磁歪であった。長さ50mmの原線を体積濃度10%の希
硝酸に常温で浸し、線径が15μm、10μm、5μm
の3種の細線(試料)を得た。
【0019】直径150mmの励磁用ヘルムホルツコイ
ル、及び、長さ3mm、巻数500ターンの検出コイル
を有する交流BHループトレーサーによりこれらの試料
の磁気ヒステリシス特性を測定した。励磁コイルには交
流正弦波電流を供給し、150Hz、0.2エルステッ
ド(Oe)の正弦波磁界を発生させた。
【0020】図1は、エッチング前の非晶質金属細線
(線径30μm径、長さ50mm)のBHヒステリシス特
性を示し、図2と図3は、それぞれ、エッチング後の線
径10μm、5μmの非晶質金属細線(長さ50mm)の
BHヒステリシス特性を示す。これらの図において、縦
軸が磁束Bであり、横軸が磁界Hである。
【0021】図1よりわかるように、エッチング加工前
では急峻な磁化反転を示さず、従来の零磁歪組成細線特
有の線形的なヒステリシス特性を示す。これに対し、図
2に示した線径10μmの細線では、急峻な磁化反転を
示すステップ状の不連続変化があることが分かる。さら
にエッチングされた図3の線径5μmの細線では、ステ
ップ状の不連続変化がほぼ飽和磁化にまで達しており、
非常に角形性の強いヒステリシス特性に変化している。
【0022】また、Co68.15Fe4.35Si12.515
どの組成を用いる場合、従来用いられている正の磁歪の
組成に比べ、Fe基の含有率が小さい。このため、耐食
性に優れている。
【0023】上述の金属細線は、セキュリティタグまた
はセンサ素子に組み込むことができ、また、小型携帯端
末に内蔵できる。1つの例として、上記の線径5μmの
金属細線を長さ10mmに切断し、これを金属細線12
として、プラスティックカード(磁気素子)に内蔵し
た。たとえば、図4に図式的に示すように、2枚の塩化
ビニル樹脂製のシート(厚さ230μm、縦85mm、
横55mm)10の間に金属細線12を挟み、熱プレス
機で圧力2kg/cm2、115℃でラミネート成形し
た。シート10は金属細線12を保持し、また、外部か
ら保護する。このカード状磁気素子に直径150mmの
励磁用ヘルムホルツコイルで150Hz、1エルステッ
ド(Oe)の正弦波磁界を印加し、長さ10mm、巻数5
00ターンの検出コイルで磁気特性を測定した。測定デ
ータから、金属細線12の磁化反転に伴う急峻な電圧パ
ルスが検出コイルに誘導され、ラミネート成形する前と
同様の信号が金属細線12から発生することが確認され
た。
【0024】
【発明の効果】本発明の金属細線や磁気素子は、磁歪が
小さいために外部からの応力の影響を受けにくい。ま
た、本発明の製造方法では、エッチングによる微細加工
により、線径が10μm径以下の極細線を容易に得るこ
とができる。このため、磁気素子に組み込む場合に、寸
法形状を極めて小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 エッチング前の金属細線(線径30μm径)
のBH特性図である。
【図2】 エッチング後の金属細線(線径10μm径)
のBH特性図である。
【図3】 エッチング後の金属細線(線径5μm径)の
BH特性図である。
【図4】 磁気センサの図式的な分解図である。
【符号の説明】
10: シート、 12: 金属細線。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川島 克裕 京都府宇治市矢落22−1 ユニライフ宇治 六番館118 (72)発明者 古川 伸治 京都府京都市伏見区向島庚申町99 マジョ リカハウス203 Fターム(参考) 4E096 EA01 EA13 FA17 HA04 HA10 4K057 WA11 WB01 WB20 WE01 WE02 WE03 WE04 WE08 5C084 AA03 AA08 BB22 BB23 CC34 DD21 EE07 HH10 5E041 AA14 AA19 BD03 CA07 HB00 HB05 NN06 NN15

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 飽和磁歪定数の絶対値が1×10-6以下
    であり、円形断面を有し、線径が10μm以下であっ
    て、外部から磁界が印加されると急峻な磁化反転を示す
    磁気特性を有することを特徴とする金属細線。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の金属細線、および、この
    金属細線を保持する保持部とからなることを特徴とする
    磁気素子。
  3. 【請求項3】 溶融状態から鋳造した細線、あるいはそ
    の細線を機械加工した細線を原線とし、その原線をエッ
    チングして、細線が10μm以下である金属細線を製造
    することを特徴とする請求項1記載の金属細線の製造方
    法。
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