JP2010529551A - 磁気機械共鳴装置のためのアモルファス合金組成物およびそれを含むｅａｓマーカー - Google Patents

Abstract

本発明は、より高い費用の問題を解決する一方、既存の物質と同一またはそれより優れた性能を達成する、ＥＡＳマーカーのための活性要素のための新規の組成物および／またはその処理を含み得る。これは、組成物Ｆｅ_ａＮｉ_ｂＭ_ｃであって、式中、ａ＋ｂ＋ｃ＝１００であり、ａは４０〜７０重量パーセントであり、ｂは１０〜５０重量パーセントであり、ｃは１０〜５０重量パーセントであり、Ｍは残余の残存要素である、組成物を有するアモルファス磁歪合金の平面ストリップから形成される磁気機械活性要素であって、要素のリボン長さ方向に対して実質的に横方向である磁場の存在下で、約３００℃未満の温度で、少なくとも約１時間を超える時間、バッチアニーリングが実施される、磁気機械活性要素を含んでもよい。
【選択図】 図７

Description

本願は、その開示全体が参照することによって本明細書に組み込まれる、２００６年６月６日に出願された、名称「Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ａｌｌｏｙ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｆｏｒ ａ Ｍａｇｎｅｔｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ ａｎｄ ＥＡＳ Ｍａｒｋｅｒ Ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ Ｓａｍｅ」の米国仮特許出願第６０／８１１，２８０号に関し、その優先権の利益を主張する。

本発明の分野は、電子物品監視であり、特に電子物品監視システムで使用するためのマーカーである。

小売店によって盗難防止用途に使用される、電子物品監視（ＥＡＳ）として既知の多くの異なる感知技術が存在する。これらの技術の中には、Ｓｅｎｓｏｒｍａｔｉｃ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって製造されるもの等の音響磁気（ＡＭ）系マーカー（タグおよびラベル）があり、これらは、高感度、小型、無効化可能／再有効化可能、低費用、無効化の容易さ等の多くの独特の利点から、非常に望ましい。

典型的なＡＭラベルの寸法は、長さが約４５ｍｍ、幅が１０ｍｍであり、約１．３ｍｍの全体厚さを有する。そのようなラベルの一実施例が、図１に図示される。図１（ａ）に示されるように、ラベル１００は、１つ以上の活性要素１０４を収容するように形成される、小さなくぼみ１０２を含んでもよい。活性要素１０４は、磁気機械金属ストリップであり、くぼみ１０２は、活性要素の適切な機械的共鳴を可能にするように形成される。活性要素１０４は、くぼみ１０２の中に置かれ、続いてトップカバー１０６で封止される。半硬質磁気バイアスのストリップ１０８は、くぼみ１０２および活性要素１０４の外側近位に置かれる。最後に、マーカー１００は、剥離ライナー１１０を有する接着剤層を追加することによって完成する。

図１（ｂ）は、ＡＭマーカー１００等のマーカーを採用する、典型的なＥＡＳシステムを図示する。図１（ｂ）に示されるように、送信台座１１４は、それと受信台座１１８との間に、電磁場１１６を生成する。電磁場は、典型的に、電磁エネルギーの規則的なバーストを生じる、一連のパルスで生成される。磁場の範囲は、台座間の「問い合わせゾーン」（１２０）を画定する。ＡＭマーカー１００の活性要素１０４は、この問い合わせゾーンを通過する際、電磁場１１６からのエネルギーを吸収し、共鳴して、送信機からの電磁エネルギーに対する電磁応答信号１２２を生成する。これを達成するために、活性要素１０４は、高透磁率(μ)の磁性体のストリップから構成される。さらに、またこれは、高品質係数（Ｑ）機械共鳴装置でもある。Ｑは、共鳴中のストリップの面摩擦に応じて、３０００まで高くすることができる。受信台座１１８は、問い合わせゾーン内のマーカーの存在を検出するために、送信機１１４からのバースト間のこの応答信号を聞く。マーカーが検出される際、システムは、警告するために、次いでアラームを誘発してもよい。

マーカーで使用される活性要素は、所望の性質を有する要素を達成するために、多数の要因を断定することによって、生成されてもよい。例えば、これは、要素が形成される組成物を注意深く選択し、組成物がアニールされる、ないしは別の方法で機械的に、化学的に、および電磁的に処理される方法によって、達成することができる。ＥＡＳマーカーの活性要素を最適化するための数多くの技術が既知である。これらのいくつかは、例えば、参照によって本明細書に組み込まれる、米国特許第４，５１０，４８９号、同第５，２５２，１４４号、同第５，４６９，１４０号、同第５，４６９，４８９号、同第５，６２８，８４０号、同第６，０１８，２９６号、および同第６，３５９，５６３号に開示される。

米国特許第６，０１８，２９６号および同第６，３５９，５６３号は、例えば、物質がどれだけガラス質であるか、成形性、およびアニール中の物質へかかる機械的張力による磁気的性質の変化に対する感受性を制御するために、コバルトをほとんどまたはまったく有さず、規定量の追加要素Ｍ（Ｓｉ、Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ｇｅ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｃｒ、およびＭｎ等）を有する、ＦｅＮｉ系合金を開示する。これらの特許は、物質の磁気特性を設定するために、リールツーリール式アニーリングプロセスで、より高温（＞３００℃）での物質の急速（およそ１分間以下）加熱を使用することに焦点を当てる。また、該特許第６，０１８，２９６号においては、好ましいリールツーリール式アニーリングプロセスと比較するために、より高温での加熱時間が１５分間のバッチアニーリングも使用された。

また、該特許第６，０１８，２９６号は、横方向（活性要素リボンの長さ方向に対して）磁場の存在下でこの物質をアニーリングすることが、約６．５Ｏｅの所望のＤＣバイアス磁場動作点で物質の周波数応答特性の十分に低い傾度を達成することができないため、望ましくないことも提示する。反対に、該特許第６，３５９，５６３号では、たとえ横磁場を使用しても、周波数応答特性の十分に低い傾度を達成することができる一方、これらのより高温かつより短いアニール時間でのリールツーリール式アニーリングの使用を必要とする。

原料（Ｎｉ等）の費用、および／または最終形態にするために物質を処理することの様々な局面（より高温でのリールツーリール式急速アニーリング等）の高費用等の外部的な要因は、長期にわたり変化する可能性があり、ＥＡＳマーカーのための活性要素を生成する費用が高くなりすぎる可能性があるという問題をもたらす。したがって、そのようなより高い費用の問題に直面する中で、ＥＡＳマーカーのための活性要素の同一またはより優れた性能を得る新しい方法の開発における解決策が必要である。

本発明の実施形態は、より高い費用の問題を解決する一方、既存の物質と同一またはそれより優れた性能を達成する、ＥＡＳマーカーのための活性要素のための新規の組成物および／またはその処理を含み得る。これは、組成物Ｆｅ_ａＮｉ_ｂＭ_ｃであって、式中、ａ＋ｂ＋ｃ＝１００であり、ａは、４０〜７０重量パーセントであり、ｂは、１０〜５０重量パーセントであり、ｃは、１０〜５０重量パーセントであり、Ｍは、残余の残存要素である、組成物を有するアモルファス磁歪合金の平面ストリップによって形成される磁気機械活性要素であって、約３００℃未満の温度で、少なくとも約１時間を超える時間、要素のリボンの長さ方向に対して実質的に横方向である磁場の存在下で、バッチアニーリングが実施される、磁気機械活性要素を有する、磁気機械電子物品監視（ＥＡＳ）システムで使用するためのマーカーを含み得る。

一実施形態においては、残存要素の残余Ｍは、Ｃｏ、Ｓｉ、Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、およびミスメタル（Ｍｉｓｍｅｔａｌ、ミッシュメタル）からなる群から選択される１つ以上を含んでもよい。特に、物質は、物質のガラス的性質に影響を与えるために、約１５〜３０％の、Ｓｉ、Ｂ、Ｃ、およびＰからなる群から選択される１つ以上を含むことができる。物質の磁気的性質に影響を与えるために、０〜約１０％の、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、およびミスメタルからなる群から選択される１つ以上を含んでもよい。また、Ｎｉの量、ｂは、特に約２５重量パーセント未満であってもよい。バッチアニーリングは、特に、約２５０℃の温度で約１時間実施される。

音響磁気マーカーの構造物の図である。 ＥＡＳシステムの図である。 外部印加ＤＣ磁場におけるＥＡＳマーカーの典型的な共鳴周波数の依存性の図である。 外部ＤＣバイアス磁場を変化させた３つの時間スロット、Ａ_０、Ａ_１、およびＡ_２で測定した磁気機械共鳴振幅の図である。 活性要素内の誘導磁場異方性に対するニッケルパーセント濃度の影響の図である。 飽和磁化に対するニッケルパーセント濃度の影響の図である。 磁歪の強度に対するニッケル濃度の影響の図である。 ＥＡＳマーカーのための既存の活性要素と本発明活性要素の周波数−ＤＣバイアス依存性の比較図である。

本発明の様々な実施形態をより理解するために、類似番号が類似部分を指す、次の図面と関連付けて読まれるべきである、以下の発明を実施するための形態が参照されるべきである。

簡易化および説明の容易化のため、本発明は、その様々な実施形態と関連して本明細書に記載される。しかしながら、当業者は、本発明の特長および利点が、様々な構成に導入されてもよいことを理解するであろう。したがって、本明細書に記載される実施形態は、限定としてではなく、例示として提示されることが理解されるであろう。

図２は、活性要素の典型的な共鳴周波数特性を図示する。図２に見ることができるように、要素の共鳴周波数は、ＤＣ磁場（半硬質バイアス磁石との相互作用によって生成される）によって変化する。ＤＣバイアス磁場が上昇するにつれて、共鳴周波数は、Ｈ最小値（Ｈｍｉｎ）（Ｏｅ）のバイアス磁場でＦ最小値（Ｆｍｉｎ）に到達するまで減少する。次いで周波数は、Ｈｍｉｎを過ぎて急上昇する。周波数−バイアス磁場相互依存性は、方程式１：

式１

で表すことができ、式中、Ｅ、Ｌ、ρは、アモルファスストリップのヤング率、長さ、および密度であり、Ｈ、λ、Ｍ_ｓ、およびＨ_ｋは、それぞれ、印加されるＤＣ磁場、磁歪、飽和磁化、および横方向（リボン長さ方向に対して）異方性磁場である。

応答信号１２２の振幅特性は、マーカー１００が電磁場１１６にさらされた後、３つの時間増分（Ａ_０、Ａ_１、Ａ_２）、例えば、図３に示されるように、バーストの０、１、および２ミリ秒後に測定することによって、実証することができる。一般に、振幅は、Ｈ最大値（Ｈｍａｘ）で最大値に到達するまでＤＣ磁場とともに増加し、次いでバイアス磁場とともに緩やかに減少し始め、最終的に、活性ストリップが磁気的に飽和するにつれて小さくなる。図２に示されるように、Ａ_０、Ａ_１、およびＡ_２のピークは、左（より低いＤＣ磁で）に向かってシフトし、より低い磁場でより高いＱを示す。一般に、Ａ_１振幅は、受信台座１１６が感知するものを示す。Ａ_１および生じる際のバイアス磁場の最大値を、それぞれ、Ａ１最大値（Ａ_１ｍａｘ）およびＨ最大値（Ｈ_ｍａｘ）とする。

ＥＡＳマーカーに使用可能な活性要素を得るためには、いくつかのパラメータを、典型的にＨ_ｍｉｎ未満である所望のＤＣバイアス磁場で、所望の共鳴周波数（ＡＭマーカーでは５８ｋＨｚ等）を有するマーカーの活性要素／バイアスの動作点を得るように、最適化しなければならない。この動作点でのＨｚ／Ｏｅにおける周波数傾度は、好ましくは、周波数特性曲線の最大傾度より小さくあるべきである。動作点でのＡ_１振幅は、好ましくは、振幅特性曲線の最小振幅より大きくあるべきである。

無効化することができるＡＭマーカーが正常に機能するように、好ましくは、半硬質磁気バイアスストリップが使用される。このストリップは、所望の強度のＤＣ磁場を活性ストリップに提供するために、長手方向に沿って磁化される。マーカーを無効化するには、適切な周波数シフトを達成するために、バイアス磁場を変更しなければならない。これは、パターン形成された磁石に接触させることによるＡＣ消磁化または磁化を含む、様々な方法によって達成することができる。動作点のＤＣバイアス磁場での共鳴周波数と無効化後のＤＣバイアス磁場での共鳴周波数の差（無効化周波数シフト、「ＤＦＳ」）は、好ましくは、受信台座１１６による不測の検出を避けるために望ましい、選択される最小値より大きくあるべきである。

上述の方程式１から見ることができるように、周波数／バイアス磁場の関係は、ヤング率および密度が、様々な組成物間で比較的一定のままであるとしても、少なくとも３つのパラメータによって決定され得る。共鳴装置の周波数プロファイルは、数量Ｃ＝λ^２／（Ｍ_ｓＨ_ｋ ^３）が比較的一定である限りにおいて、同様の挙動を示すはずである。異方性（Ｈ_ｋ）は、３乗であることから、最も強い影響を有する。また、Ｃは、λおよびＭ_ｓにも影響される。Ｃの値により、異方性磁場は、形状異方性に加えて磁場誘導異方性による効果を含んでもよい。

異なる温度でのＮｉ％によるＫｕの変化が図４に示される。Ｈ_ｋは、Ｈ_ｋ＝２Ｋｕ／Ｍ_ｓで与えられる、Ｍ_ｓの影響を含む、Ｋｕの尺度である。Ｋｕは、およそ２４％のニッケル濃度で最大となる。また、さらに、Ｋｕは、アニール温度の上昇とともに減少する。効果的な短時間（およそ１分間以下）アニーリングプロセスでは、アニール温度は、３００℃を超える温度に設定され、通常、約３６０℃である。これらの条件下では、３０％のＮｉで到達することができる最大Ｋｕは、概略で約４１０Ｊ／ｍ３である。

しかしながら、図４に示されるように、Ｆｅ−Ｎｉ活性要素の磁場誘導Ｈ_ｋは、アニール条件、具体的にはアニーリングプロセスの時間および温度に加えて、Ｎｉ濃度に強く依存する。一定のアニール時間では、最初に、Ｈ_ｋは、アニール温度が物質のキュリー温度を下回るまで減少するのに伴って増大し、最大値に到達し、次いでアニール温度がさらに減少するのに伴って減少する。２つの競合因子、アニール温度（Ｔ_ａ）での飽和磁化Ｍ_ｓ（Ｔ_ａ）、およびアモルファス合金内の原子の可動性は、Ｈ_ｋが最大となるアニール温度の最適条件を作り出す。より低いアニール温度では、飽和磁化がより高く、したがってより高いＨ_ｋに到達する可能性をもたらす。しかしながら、より低い温度では、顕微鏡スケールの短距離でアモルファス物質を効果的に再配列するために、より長いアニール時間が必要となる。したがって、より低いＮｉ濃度を有するＦｅ−Ｎｉ組成物では、アニール温度を低くし、アニール時間を増加することによって、依然として所望のＨ_ｋを得られる。つまり、より高い磁場誘導異方性が望ましい場合、比較的低いアニール温度、および長いアニール時間のアニーリングを用いることができる。

飽和磁化は、別の重要なパラメータである。これは、磁気信号強度に直接関係する。また、これは、方程式１に示されるように、共鳴周波数とＤＣ磁気バイアスの関係の形成に関与する。図５は、室温飽和磁化がニッケル濃度パーセンテージによってどのように変化するかの関係を示す。これは、処理／アニール条件とは無関係であり、ニッケルパーセント濃度とともに単調に減少する。この状況下での異方性磁場（Ｈ_ｋ）は、次の関係によって決定されてもよい。

式２

また、アモルファス合金の磁歪定数（λｓ）は、図６に示されるように、Ｎｉパーセント濃度に依存する。磁歪定数は、０％のＮｉで約３２ｐｐｍから６０％のＮｉ濃度で約５ｐｐｍに、Ｎｉ％の増加に伴って線形的に減少する。

上記の情報に基づき、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｍアモルファス合金系との磁気機械共鳴をモデル化するために必要な磁気的／機械的情報を得る。Ｆｅ_５５−Ｎｉ_２５−Ｂ_２０を含む試料組成物をモデル化した。本実施例で使用される活性要素の共鳴プロファイルに関連するパラメータを、以下の表１に記載する。

表１に記載される物質パラメータを用いて、適切なアニール条件下で、１２．７ＯｅのＨ_ｋ値で、既存の活性要素と類似するＣの値が到達できると断定された。図７は、ＥＡＳマーカーの既存の活性要素と比較した共鳴周波数のシミュレーション結果を示す。図７に示されるように、ＤＣバイアス磁場への周波数依存性は、最大約９Ｏｅまで、既存の要素と非常に近い。さらに、飽和磁化（Ｍ_ｓ）が非常に高いことから、共鳴信号強度がより高くなることが予測される。

また、磁場誘導異方性の強度をさらに向上することができる他の考えられる組成物の変形も存在する。Ｓｉ、Ｂ、Ｃ、および／またはＰ含有量のパーセンテージの変化は、物質のガラス的性質に影響を与えることに加え、場合によっては物質のキュリー温度を上昇することができ、これは、誘導Ｈ_ｋを上昇することができる。

磁場誘導異方性の強度を改善するため別の考えられる組成物の修正は、低レベルのＭｎ（またはＳｎ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｎｂ、Ｍｏ、および／もしくはＣｒ）の添加である。別の方策は、クロム（Ｃｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、希土類（ミスメタル−元素の混合）等の微量の要素を添加することによって、磁歪（λ）を減少させることである。Ｍｎ、Ｃｒ、またはＭｏの添加による効果は、λ_ｓを減少させること、Ｊ_ｓを減少させること、または Ｈ_ｋを減少させることであり得る。Ｍｎは、クリープ効果を増大し、一方、Ｃｒは、それを減少し、Ｍｏは、好ましいクリープ効果を有する。

以下の表２は、Ｆｅ−Ｂへの少量（０．５％）のＭｎの添加によるＨ_ｋの大幅な（３〜４Ｏｅ）増加を示す、スパッタ蒸着したＦｅ−Ｍｎ−Ｂ合金薄膜のデータを示す。この増加は、１原子％のＮｉが添加されるごとに典型的に１Ｏｅ未満である、Ｆｅ−ＢへのＮｉの添加によって得られる増加を大きく上回る。合金の材料費をさらに削減するために、減少させた量のＮｉと組み合わせて、少量のＭｎを含むことができる。

本発明を実証するために、いくつかの試料を調製し、試験した。これらの試料を、下の表３に記載する。

これらの試料を、リールツーリール式アニーリングより大幅に低費用である、バッチアニールした。また、試料を、アニール中に横磁場にさらした。異なるアニール温度に対して、異なるソーク時間を使用した。２００℃では、ソーク時間は、２．５日間であった。２５０℃では、ソーク時間は、少なくとも７時間であった。３００℃および３５０℃では、ソーク時間は、１０分間以上であった。各アニール温度による各試料から得られるＨ_ｋを、下の表４に示す。

横磁場の存在下で２５０℃で約１時間バッチアニールした、試料＃２の共鳴性能を図８に示す。図８および前述の情報から見ることができるように、横磁場の存在下で、３００℃未満の温度で、少なくとも１時間を超える時間バッチアニールされる、４０〜７０原子重量パーセントのＦｅ、１０〜５０原子重量パーセントのＮｉ、および１０〜５０重量パーセントの残存要素を有する組成物で、既存のＥＡＳ共鳴装置要素と同等の性能をもたらし得るパラメータを有する活性要素を達成することができる。

本発明の範囲から逸脱することなく、本発明の様々な実施形態の変形および修正が行われてもよいことが理解される。また、本発明の範囲は、本明細書に開示される特定の実施形態に制限されると解釈されず、前述の開示を考慮して読まれる際に添付の特許請求の範囲とのみ一致することが理解される。

Claims (10)

1. 磁気機械電子物品監視（ＥＡＳ）システムで使用するためのマーカーであって、
   組成物Ｆｅ_ａＮｉ_ｂＭ_ｃであって、式中、ａ＋ｂ＋ｃ＝１００であり、ａは４０〜７０重量パーセントであり、ｂは１０〜５０重量パーセントであり、ｃは１０〜５０重量パーセントであり、Ｍは残余の残存要素である、組成物を有するアモルファス磁歪合金の平面ストリップによって形成される、磁気機械活性要素と、
   前記共鳴装置要素と近接して位置するバイアス要素と、
   前記共鳴装置要素および前記バイアス要素を収容するように構成された筺体と、を備え、
   前記磁気機械活性要素は、前記要素の前記平面に対して実質的に横方向の磁場の存在下で、約３００℃未満の温度で、少なくとも約１時間を超える時間、バッチアニーリングが実施される、マーカー。
2. Ｍは、Ｃｏ、Ｓｉ、Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｃｒ、およびＭｎからなる群から選択される１つ以上である、請求項１に記載のマーカー。
3. Ｍは、Ｓｉ、Ｂ、Ｃ、およびＰからなる群から選択される１つ以上を含む、請求項１に記載のマーカー。
4. Ｍは、約１５〜約３０重量パーセントである、請求項３に記載のマーカー。
5. Ｍは、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、およびミスメタルからなる群から選択される１つ以上を含む、請求項１に記載のマーカー。
6. Ｍは、約０〜約１０重量パーセントである、請求項５に記載のマーカー。
7. Ｍは、前記活性要素のガラス的性質に影響を与える、Ｓｉ、Ｂ、Ｃ、およびＰからなる群から選択される１つ以上の第１の要素と、前記活性要素の磁気的性質に影響を与える、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、およびミスメタルからなる群から選択される１つ以上の第２の要素と、を含む、請求項１に記載のマーカー。
8. 前記第１の要素は、約１５〜約３０重量パーセントの前記活性要素を含み、前記第２の要素は、約０〜約１０重量パーセントの前記活性要素を含む、請求項７に記載のマーカー。
9. Ｎｉの量、ｂは、約２５重量パーセント未満である、請求項１に記載のマーカー。
10. 前記バッチアニーリングは、約２５０℃の温度で約１時間実施される、請求項１に記載のマーカー。

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