JP2005179694A - レゾネータ用アモルファス合金薄帯 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、従来用いられている材料と同等若しくはそれ以上の出力信号を得ることができる安価なＦｅ−Ｎｉ系アモルファス合金薄帯を用いたレゾネータ材を提供することを目的とする。
【解決手段】 本発明は、原子％でＦｅが３０〜５０％、Ｍｏが１〜４％、Ｂが１０〜２０％、残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる組成を有し、比抵抗が１２０〜１５０μΩｃｍ、磁区幅が１００〜３００μｍ、厚さが２３μｍ以上３０μｍ以下であるレゾネータ用アモルファス合金薄帯である。この組成としては、原子％でＦｅが３５〜４５％、Ｍｏが３〜４％、Ｂが１６〜２０％がより好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁歪振動を利用する防犯センサ等のレゾネータとして用いられるレゾネータ用アモルファス合金薄帯に関するものである。

スーパーマーケット等で商品の不正な持ち出しの防止等に用いられる防犯センサの一つとして、磁歪材料を用いた防犯センサがある。この防犯センサについては、例えば特許文献１に提案されている。
特許文献１に記載の方式の防犯センサは、商品等に取り付けるマーカと、マーカの通過を１つの送信器と２つの受信回路を具備する受信機により検出するゲートから構成されている。

このマーカは軟磁気特性を有するレゾネータと、このレゾネータと隣接して配された半硬質の磁気特性を有するバイアス材から構成されている。一般にレゾネータにはアモルファス合金材料、バイアス材には結晶材料が用いられていることが多い。このレゾネータとバイアス材とが隣接した状態でバイアス材を磁化すると、レゾネータは活性（マーカが活性）となり、逆にバイアス材を消磁するとレゾネータは不活性（マーカは不活性）となる。出入り口に配されたゲートで活性なレゾネータを検出することで、不正な持ち出しのみを検出することが可能となる。

発信器と受信器はゲートの内部に隣接して設置されており、発信器は特定の無線周波数の微弱な交流磁場（パルス）をある時間ごとに繰り返し発信している。また、受信器は発信器から発せられる交流磁場（パルス）の休止期間ごとに動作するように設定されている。

活性なレゾネータは、発信器から発生する前記の特定周波数の交流磁場（パルス）を受けて共振し、出力信号を発信する。発信器からの交流磁場（パルス）が休止すると、このレゾネータの共振によってレゾネータから発信される出力信号は指数関数的に減衰する。この指数関数的に表される減衰特性は、レゾネータに用いる材料、熱処理条件により決まる特性である。

ゲート内の受信回路では、発信器の休止期間にレゾネータから発信される出力信号を、時間差をもって最低２回検出する。この時間差により、レゾネータに特有の減衰曲線で有るか否か判別し、レゾネータの状態を識別できるものである。
この方式では、レゾネータ以外の物体から発生される出力信号（減衰特性の異なる出力信号）との区別が可能となるため、ゲートでの誤動作を抑制することができる点で優れた方式である。

これらの磁気特性が要求されるレゾネータには、上述のようにアモルファス合金が用いられている。通常、このアモルファス合金は、単ロール法に代表される液体急冷法によりアモルファス合金薄帯として製造されたものを、必要な形状に切断して用いられる。また液体急冷法により製造されたアモルファス合金薄帯は、磁気特性を向上させることを目的として磁場中熱処理が施された後、レゾネータとして用いられることが多い。

上記の要求されるレゾネータの特性を満足するためには少なくとも６４０Ａ／ｍまで線形なＢ−Ｈ曲線が必要であることが特許文献２に開示されている。線形なＢ−Ｈ曲線を得る熱処理方法の一つに熱処理時にリボン長手方向に張力を印加する張力下熱処理がある。非特許文献１および非特許文献２によれば、誘導磁気異方性の大きさは熱処理温度、アモルファス合金薄帯長手方向に印加する張力、熱処理時間および合金の組成で制御できることが知られている。一般的にキュリー温度以上の温度で張力下熱処理を行うと大きな誘導磁気異方性が得られる。

従来、レゾネータ材として例えば特許文献３に記載のＦｅ−Ｃｏ−Ｎｉ系アモルファス合金薄帯が用いられている。このＦｅ−Ｃｏ−Ｎｉ系アモルファス合金薄帯は上記の要求されるレゾネータ特性を満足するため、すなわち交流磁場により発生する信号出力の大きさ、及び減衰特性を向上する方法として、アモルファス合金薄帯面に対して所定の角度を持たせた磁場中で熱処理をすることが開示されている。この熱処理方法により、磁区幅４０μｍ以下、または板厚の１．５倍以下の微細な磁区構造を形成することで渦電流損失を低減し、交流磁場により発生する信号出力の大きさ、及び減衰特性を向上している。
また特許文献４では原料コストが安価なＦｅ−Ｎｉ系アモルファス合金薄帯を用い、アモルファス合金薄帯長手方向に張力を印加しながら連続熱処理を行う熱処理方法が開示されている。上記熱処理方法は、熱処理炉内に磁場を印加するための磁石を必要とせず、熱処理装置を安価に作製することができる。
米国特許第４５１０４８９号公報 米国特許５８４１３４号 米国特許６２９９７０２号公報 ＷＯ ０２／２９８３２公報 Ｎｉｅｌｓｅｎ Ｏ Ｖ著「Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ａｎｄ Ｔｏｒｓｉｏｎａｌ Ｓｔｒｅｓｓ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｉｎ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｒｉｂｂｏｎ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ出版 ｖｏｌ．ＭＡＧ−２１，Ｎｏ．５ １９８５年 Ｈｉｌｚｉｎｇｅｒ Ｈ Ｒ著「Ｓｔｒｅｓｓ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｉｎ ａ Ｎｏｎ−Ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ａｌｌｏｙ」Ｐｒｏｃ．４ｔｈ Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ．ｏｎ Ｒａｐｉｄｌｙ Ｑｕｅｎｃｈｅｄ Ｍｅｔａｌｓ 出版 １９８１年

上記に例示した特許文献４のＦｅ−Ｎｉ系アモルファス合金薄帯、および熱処理方法はコストの点で有利である。ところで、マーカに用いるレゾネータでは、基本特性として活性な状態において発信器からの交流磁場（パルス）により共振し発生する出力信号強度が大きく、信号の減衰速度がある範囲であることが要求される。このレゾネータに要求される特性の中に、活性状態にあるレゾネータにおいては、バイアス材のばらつきや地磁気内でのレゾネータ材の方向などに起因した外乱磁場（ｄＨ）による共振周波数ｆ_ｒの変化（ｄｆ_ｒ）が可能な限り小さいことが望ましいということがある。

しかし、この要求を満足すると、下記（１）式で与えられる出力信号の減衰特性を表すＱ値が大きくなり、出力信号が減衰しにくくなり、検出した信号で減衰特性が評価できなくなる。
Ｑ＝πｆ_ｒ／ｌｎ（Ａ_０／Ａ_１） （１）
ｆ_ｒ：共振周波数、Ａ_０：発信器から発生する特定周波数の交流磁場（パルス）休止直後の出力信号強度、Ａ_１：発信器から発生する特定周波数の交流磁場（パルス）休止１ｍｓ後の出力信号強度である。
特許文献４は、コストの点で有利なアモルファス合金薄帯、熱処理方法であるものの、適正な減衰特性が得られないことがある点が問題である。
本発明の目的は、出力信号の減衰特性を制御し、従来用いられている材料と同等若しくはそれ以上の出力信号を得ることができる安価なＦｅ−Ｎｉ系アモルファス合金薄帯を用いたレゾネータ材を提供することである。

本発明者は出力信号の減衰特性の問題を検討し、Ｆｅ−Ｎｉ系アモルファス合金薄帯の出力信号の減衰特性に影響を及ぼす材料の組成、比抵抗、磁区構造、板厚を最適化することによりレゾネータ材に要求される｜ｄｆ_ｒ／ｄＨ｜の最小化と、適度なＱ値、さらに大きな出力信号を満足できることを見いだし本発明に到達した。

すなわち、本発明は原子％でＦｅが３０〜５０％、Ｍｏが１〜４％、Ｂが１０〜２０％、残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる組成を有し、比抵抗が１２０〜１５０μΩｃｍ、磁区幅が１００〜３００μｍ、厚さが２３μｍ以上３０μｍ以下であるレゾネータ用アモルファス合金薄帯である。
好ましくは原子％でＦｅが３５〜４５％、Ｍｏが３〜４％、Ｂが１６〜２０％を満足する組成とする。

本発明によれば出力信号の減衰特性を飛躍的に改善することができ、さらに従来と同程度の出力信号を示し、Ｃｏを含まない安価なレゾネータ用アモルファス合金薄帯の実用化にとって欠くことのできない技術となる。

以下本発明を詳しく説明する。まず本発明では、安価なレゾネータを目的とするものであり、Ｆｅ−Ｎｉ系アモルファスの組成を検討した。まず、もっとも基本なのは、出力信号強度の確保であり、適度な減衰特性を得るための損失項の調整である。
本発明では、合金組成から出力信号強度の特性に影響する磁歪定数と、減衰定数の影響因子の一つである抵抗値確保の観点から、組成を定めた。以下、本発明の組成について説明する。

Ｆｅは磁歪定数を制御する元素であり、３０％よりも少ないと大きな出力信号強度が得られず、５０％より多くなると大きな出力信号強度が得られるが、｜ｄｆ_ｒ／ｄＨ｜が大きくなるため５０％以下とした。好ましくは３５％〜４５％である。

Ｍｏは磁歪定数と関係がある元素であり、Ｍｏ量が多くなると磁歪定数が小さくなる。Ｍｏが１％より少ないと磁歪定数が大きくなり出力信号強度は大きくなるが、｜ｄｆ_ｒ／ｄＨ｜が大きくなり、４％より多いと磁歪が小さくなり出力信号が小さくなることが懸念される。また、Ｍｏは原料的に高価であるため、その量を多くしすぎることはコスト面で問題となる。好ましくは３〜４％である。

Ｂはアモルファス形成能が大きな元素であり、単ロール法に代表される液体急冷法によりアモルファス合金薄帯として製造するために必要な元素である。Ｂが１０％より少ないとアモルファスを形成することが困難であり、２０％より多くなると、アモルファスを形成するが製造したアモルファス合金薄帯が脆くなることが問題である。好ましくは１６〜２０％である。

ＮｉはＦｅとの関係において磁歪定数に関係のある元素であり、Ｎｉ量が多くなると出力信号が下がり、少なくなると出力信号強度は増加するが、｜ｄｆｒ／ｄＨ｜が大きくなる。本発明において、他の元素との関係において残部として規定するものである。

また、上述した組成は比抵抗を左右する大きな因子であるが、製造工程で付与される歪みや、組織あるいは不純物にも影響される。そのため、規定する必要がある。上述した大きな出力信号を取り出す組成の場合、比抵抗が１２０μΩｃｍより小さいと適正な減衰特性が得られるが、出力信号強度が小さくなるという問題があり、１５０μΩｃｍより大きいと出力信号は大きくなるが、出力信号強度が減衰しにくくなり、適正な減衰特性が得られないという問題がある。

減衰特性および出力信号強度に影響する因子として磁区幅がある。磁区幅が１００μｍよりも狭いと出力信号が大きくなり出力信号強度が減衰しにくくなるが、磁区幅を狭くするためには磁場中で熱処理する必要があり、その磁場強度は少なくとも約１２７ｋＡ／ｍであり、その磁場は磁石を用いて印加するためコストが高くなることが問題である。

さらに、減衰特性にはレゾネータ材の厚さも大きな因子である。レゾネータ材の厚さは出力信号と減衰特性に大きな影響を及ぼす因子である。板厚が２３μｍより小さくなると適正な減衰特性が得られないことが問題であり、３０μｍより厚くなると、減衰特性は適正であるが出力信号が小さくなることが問題となる。

上述した本発明によれば、スーパーマーケット等で商品の不正な持ち出しの防止等に用いられる防犯センサで使用される周波数５８ｋＨｚにおけるＱ値４００〜７５０、｜ｄｆ_ｒ／ｄＨ｜が９．５Ｈｚ・ｍ／Ａ以下という優れた特性が得られる。さらに発信器からの交流磁場（パルス）が休止した１ｍｓ後のレゾネータからの出力信号強度は少なくとも２．８ｎＷｂとすることができるものである。

単ロール法にて、表１に示す組成の狙い板厚を２５μｍとしてアモルファス合金薄帯を５ｋｇ作製した。得られた本発明のレゾネータ用アモルファス合金薄帯の板厚、比抵抗の測定結果を纏めて表１に示す。
また比較のために、引用文献４に開示されるＣｏ含有合金を同様に作製した。得られた結果を表１に付記する。得られたアモルファスを、長手方向に６ｍｍ幅となるように切断後、炉内温度４００℃、熱処理時間６ｓｅｃで、表１に示す印加張力を付与しつつ連続して熱処理を行った。表１において設定する印加張力は、発明者の実験検討により、出力信号強度Ａ_１は少なくとも２．８ｎＷｂであり、｜ｄｆ_ｒ／ｄＨ｜を最小化できる値を選択したものである。
上記条件で連続熱処理した薄帯から長さ３８ｍｍの試験片を採取し、磁区構造を粉末図形法で観察を行った。図１に本発明のレゾネータ用アモルファス合金薄帯で観察された磁区構造の顕微鏡写真の一例を示す。
アモルファス合金薄帯の幅方向に１８０°磁壁を形成しており、その平均的な磁区幅は２００μｍであることが確認された。

次に、本発明例及び比較例のレゾネータ用アモルファス合金薄帯のレゾネータとしての特性を評価するため、任意の位置で長さ３８ｍｍの試験片を２枚１組で５組採取し、前記２枚１組の試験片を板厚方向に重ねたものを直流バイアス磁界中にセットした。さらに磁界強度１．４Ａ／ｍ、周波数５０〜６５ｋＨｚの微弱な交流磁場を付加した。なお、薄帯に加えられる磁場の向きはいずれも薄帯長手方向である。
このとき、直流バイアス磁界強度を８０から８００Ａ／ｍまで４０Ａ／ｍずつ増加させたときの各直流バイアス磁場において、上記交流磁場遮断後の信号出力の時間的変化を計測した。この測定結果より｜ｄｆ_ｒ／ｄＨ｜、バイアス材より受ける磁界強度５２０Ａ／ｍにおける出力信号強度Ａ_１とＱ値を求めた。結果を表２に示す。

表１及び表２より、本発明材は、磁区幅が広い状態にも係わらず、強い出力信号が得られ、Ｑ値も７００を下回っており、実用上問題のないレベルであることが確認された。

比較検証のために、表１で得られたアモルファス合金薄帯を引用文献４に示される磁場中熱処理の適用の評価を行った。上述した熱処理との相違点は、リボン面に対して垂直に磁場強度１２７ｋＡ／ｍの磁場を印加したことである。
同様の測定結果を表３に示す。表３に示されるように、Ｃｏ入りの比較材は、磁場中熱処理により、磁区幅が狭くなり、基本的な特性である出力信号強度が改善され、その他の特性も優れたものとなる。

しかし、上述したように、このようなコストの掛かる熱処理を実施しなくても、本発明材は、磁場中熱処理と同等の高い出力特性が得られており、高価なＣｏの添加が不要で、かつ製造も容易という点に、本発明材の利点があることが確認された。
なお、本発明材と同様の組成の材料に磁場中熱処理を行うと、同様に磁区幅は狭くなるが、これにより、Ｑ値が上昇して不利な方向に作用する。一方、出力信号特性の改善は微小であり、本発明材の組成に対して、磁区幅の狭幅化を行うメリットは認められないものである。

実施例１の本発明例に対して、板厚を変え、その他の条件は実質同様としてレゾネータ用アモルファス合金薄帯を作製した。
表４に印加張力、磁区幅、板厚、比抵抗の測定結果とともにレゾネータとしての特性評価結果を示す。表４の結果より、板厚の増加は、Ｑ値は低下して有利な方向に作用するが、出力信号がやや低下する傾向が確認される。本発明例では、本発明の規定範囲である２３μｍ以上の板厚において、Ｑ値が７００を下回っており、適度な減衰特性が得られることが確認された。板厚を厚くすることでＱ値を低下させることができるが、厚くしすぎるとコストの面で優位性が無くなるため、板厚は３０μｍ以下であることが必要である。

本発明のレゾネータ用アモルファス合金薄帯磁区構造を示す顕微鏡写真である。

Claims (2)

1. 原子％でＦｅが３０〜５０％、Ｍｏが１〜４％、Ｂが１０〜２０％、残部がＮｉ及び不可避的不純物からなる組成を有し、比抵抗が１２０〜１５０μΩｃｍ、磁区幅が１００〜３００μｍ、厚さが２３μｍ以上３０μｍ以下であることを特徴とするレゾネータ用アモルファス合金薄帯。
2. 原子％でＦｅが３５〜４５％、Ｍｏが３〜４％、Ｂが１６〜２０％の組成を有することを特徴とする請求項１に記載のレゾネータ用アモルファス合金薄帯。