KR19980703802A - 기계적 공진마아커 감시시스템용 금속 유리질합금 - Google Patents

기계적 공진마아커 감시시스템용 금속 유리질합금 Download PDF

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Abstract

본 발명은 필수적으로 CoaFebNicMdBeSifCg의 식으로 이루어진 조성을 갖는 유리질 금속합금(a glassy metal alloy)에 관한 것이다. 여기서 M은 몰리브덴과 크롬으로부터 선택되고, a, b, c, d, e, f 와 g는 원자퍼센트이고, a의 범위는 약 40에서 약 43, b의 범위는 약 35에서 약42, 그리고 c의 범위는 약 0에서 약 5이고, d의 범위는 약 0에서 약 3이고, e의 범위는 약 10에서 약 25이고, f의 범위는 약 0에서 약 15이며, g 의 범위는 약 0에서 약 2이다. 상기 합금은 급랭에 의해 리본(ribbon)으로 주조되고, 그 자기적 성질의 향상을 위해 소둔되며, 그리고 자기-기계적으로 작동되는 물체 감시시스템(magneto-mechanically actuated article surveillance systems)에 매우 적합한 마아커(marker)를 형성한다. 상기 마아커는 장점으로는 조파마아커시스템(harmonic marker systems)이 자기적으로 동작하는 주파수 제어에서 상대적으로 선형 자화응답(linear magnetization response)을 함에 특징이 있다. 상기 마아커에 감지된 전압증폭(voltage amplitude)은 크고, 기계적 공진과 조파 재방사(harmonic re-radiance)에 기초한 감시시스템 사이에서 간섭이 실질적으로 제거된다.

Description

기계적 공진마아커 감시시스템용 금속 유리질합금
오늘날 시장(market)에서는 수 많은 물체감시시스템이 다양한 생물체와 무생물체를 확인하거나 보호하는데 이용되고 있다. 제한지역에 대한 접근통제를 위한 직원의 확인, 그리고 도난에 대한 상품의 보호 항목은 그러한 시스템이 계획적으로 적용된 예이다.
모든 감시시스템의 하나의 필수부품은 탐지할 물체에 부착된 감지유니트(a sensing unit), 즉 마아커(marker)이다. 상기 시스템의 다른 부품들은 질문대역(an interrogation zone)에 적절히 배치된 전송기(a transmitter)와 수신기(a receiver)이다. 상기 마아커를 지나는 물체가 질문대역에 들어올 때 상기 마아커의 기능부(functional part)는 전송기로부터 오는 신호에 응답하며, 그 응답은 수신기에 감지된다. 그 다음, 상기 응답신호에 포함된 정보는 접근거부, 경보의 작동(triggering)과 같은 상황에 따라 적절한 조치를 위해 진행된다.
몇가지 다른 형태의 마아커들이 개시되어 사용되고 있다. 하나의 형태에서는 상기 마아커의 기능부가 공진회로를 형성하는 안테나와 다이오드 또는 안테나와 커패서티로 이루어져 있다. 질문장치(interrogation apparatus)에 의해 전송된 전자기계에 위치되면 상기 안테나-다이오드 마아커는 수신안테나에서 질문주파수의 조파(harmonics)을 발생시킨다. 상기 조파나 신호레벨변화의 감지는 마아커의 존재를 나타낸다. 그러나, 이런 시스템의 경우 상기 마아커의 확인 신뢰도는 단순한 공진회로의 광역대로 인해 낮다. 게다가 상기 마아커는 확인후 제거되어야만 하며, 따라서 도난방지시스템과 같은 경우에는 바람직하지 않다.
마아커의 제2 형태는 제1 연신부재(a first elongated element)보다 고보자력을 갖는 강자성재(ferromagnetic materials)로 이루어진 제2부재에 인접한 높은 자기 투자율을 갖는 강자성재로 이루어진 상기 제1 부재로 구성된다. 전자기 방사(electromagnetic radiation)의 질문주파수에 놓일 때 상기 마아커는 상기 마아커의 비선형 특성에 의해 상기 질문주파수의 조파를 발생한다. 수신코일(the receiving coil)에서 그러한 조파의 감지는 마아커의 존재를 나타낸다. 상기 마아커의 비활성화(deactivation)는 제2부재의 자화상태변화가 수반되며, 이 자화상태변화는 예를들면 dc 자계를 통해 상기 마아커를 지나므로써 용이하게 이루어진다. 조파마아커시스템(harmonic marker systems)은 개선된 마아커 확인의 신뢰성 및 더 단순한 비활성화방법(deactivation method)으로 인해 전술한 라디오 주파수 공진시스템(radio-frequency resonant systems)보다 우수하다. 그러나, 이런 형태의 시스템에는 주요한 2가지 문제가 존재한다: 하나는 떨어진 거리에서 마아커신호(marker signal)을 감지하기 어렵다는 것이다. 상기 마아커에 의해 발생된 조파의 진폭은 질문신호(the interrogation signal)의 진폭보다 훨씬 작아 검파로폭(the detection aisle widths)이 약 3피트보다 적다. 다른 문제는 밸트버클(belt buckles), 펜, 크립 등과 같은 다른 강자성체(ferromagnetic objects)에 의해 발생된 가신호(pseudo signal)와 상기 마아커 신호를 구별하기 어렵다는 것이다. 상기 마아커 재료의 기본적인 기계적 공진주파수를 통합하는 검지모드(detection modes)를 적용한 감시시스템은 이들이 높은 감지도, 높은 동작 의존성 및 낮은 작동비용을 함께 제공한다는 측면에서 특히 유리한 시스템이다. 이러한 시스템의 예들은 미국 특허번호 제4,510,489호와 제4,510,490호(이하, `489 및 `490특허라 함)에 개시되어 있다.
상기 시스템에서 마아커는 일정한 길이의 강자성재로 이루어진 하나의 스트립, 또는 다수의 스트립으로 구성되며, 바이어스자계(biasing field)를 제공하여 최대의 자기-기계적 커플링(peak magneto-mechanical coupling)를 설정하는 기계적으로 보다 경질인 강자성(고보자력을 갖는 재료)으로 패키지화되어 있다. 상기 강자성 마아커 재료는 바람직하게 금속 유리질합금의 리본(ribbon)이다. 왜냐하면 이들 합금에서 상기 자기-기계적 커플링의 효율은 매우 높기 때문이다. 상기 마아커재의 기계적 공진주파수는 필연적으로 상기 합금리본의 길이 및 상기 바이어스계의 세기에 지시를 받는다. 상기 공진주파수에 동조하는 질문신호가 만날 때 상기 마아커재는 상기 수신기에 의해 감지되는 대신호계(a large signal field)와 반응한다. 상기 대신호계는 공진주파수에서 마아커재의 향상된 자기 투자율에 부분적으로 원인이 있다. 상기 원리를 이용한 질문과 감지를 위한 다양한 마아커구성 및 시스템이 `489 및 `490특허에 개시되어 있다.
특별히 유용한 하나의 시스템에서 상기 마아커재는 전송기에 의해 발생된 공진주파수에서 펄스신호, 즉 일련의 신호(bursts)에 의해 진동상태로 여기(勵起)된다. 상기 여기 펄스(the exciting pulse)가 끝날 때 상기 마아커재는 그 공진주파수에서 감소된 진동상태(damped oscillations)로 될 것이다. 즉 상기 마아커재는 상기 여기 펄스의 종료에 이어 링다운(ring down) 된다. 이 링다운기간동안 상기 수신기는 상기 응답신호를 듣는다(listen). 이런 배열에서는 감시시스템이 상대적으로 영향이 없어 여러 방사되거나 동력원(power line sources)으로부터 방해받지 않고 따라서 잠재적인 경보오작동은 필연적으로 제거된다.
공지된 다양한 감지시스템용 마아커재료에 적합한 것으로서 넓은 범위의 합금이 상기 `489와 `490특허에 청구되어 있다. 고투자율을 내포한 다른 금속 유리질합금은 미국특허 제4,152,144호에 개시되어 있다.
전자 물체감시시스템의 사용에 주요한 문제는 기계적인 응답에 기초한 감시시스템의 마아커가 상술한 조파마아커시스템(the harmonic marker systems)과 같은, 교번기술(an alternative technology)에 기초한 감지시스템을 돌발적으로 기동시키는(trigger) 경향이다. 상술한 조파마아커시스템은 마아커의 비선형 자기응답(the non-linear magnetic response)이 교번시스템(the alternative system)에서 조파를 발생시키기 충분할만큼 커서 결국 가응답(a pseudo response), 즉 경보오작동을 돌발적으로 일으킨다. 다른 감시시스템 사이에서 방해, 즉 파괴(pollution)를 피하는 것이 중요하다는 점은 이미 명백하다. 결론적으로 조파 재방사(harmonic re-radiance)와 같은 교번기술에 기초한 시스템을 파괴하지 않고 매우 신뢰있는 방식으로 감지할 수 있는 공진마아커를 위한 기술이 필요하다.
본 발명은 금속 유리질합금(metallic glass alloys)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 물체감시시스템(article surveillance system)의 기계적 공진마아커(mechanically resonant marker)에 적합하게 사용되는 금속 유리질합금에 관한 것이다.
도1(a)는 종래의 공진마아커의 길이에 따른 자화곡선의 개략도로서, B는 자기유도(magnetic induction)이고, H는 인가된 자계이다.
도1(b)는 본 발명의 마아커의 길이에 따른 자화곡선의 개략도로서, B는 Ha자계이상에서 포화된다.
도2는 t=t0시간에서 기계적 공진여기(mechanical resonant excitation), 여기의 종료 및 연속적인 링다운(ring down)을 묘사한 수신코일에서 검지된 신호프로파일의 개략도로서, V0와 V1는 각각 t=t0및 t=t1(t0후 1msec)에서 수신코일의 신호진폭이다.
도3은 바이어스 자계(bias magnetic field), Hb의 함수로서 여기 ac 계의 종료후 1msec에서 수신코일내에 검지된 기계적 공진주파수, fr, 및 공진신호, V1의 개략도로서, Hb1및 Hb2는 각각 V1가 최대치이고 fr가 최소일 때 바이어스자계이다.
본 발명은 적어도 70% 유리질이고, 자기적 특성 향상을 위해 소둔하면 조파마아커시스템이 자기적으로 동작하는 주파수제어(frequency regime)로 상대적으로 선형의 자기응답하는 특징이 있는 자성합금을 제공한다. 이러한 합금은 급랭응고를 이용하여 리본(ribbon)으로 주조될 수 있으며, 또는 다른 방법으로는 상기 마아커의 자기-기계적인 활성(magneto-mechanical autuation)에 기초한 감시시스템에서 사용하기 특히 적합한 자기적 그리고 기계적 특성을 갖는 마아커로 형성될 수 있다.
일반적으로 언급된 본 발명의 유리질 금속합금은 필수적으로 CoaFebNicMdBeSifCg의 식으로 이루어진 조성을 갖는데, 여기서 M은 몰리브덴과 크롬으로부터 선택되며, a, b, c, d, e, f 와 g는 원자퍼센트이고, a의 범위는 약 40에서 약 43, b의 범위는 약 35에서 약42, 그리고 c의 범위는 약 0에서 약 5이고, d의 범위는 약 0에서 약 3이고, e의 범위는 약 10에서 약 25이고, f의 범위는 약 0에서 약 15이며, g 의 범위는 약 0에서 약 2이다. 이들 합금은, 약 48에서 약 66kHz에 걸친 주파수에서 기계적으로 공진될 때, 8Oe를 초과하는 인가장(an applied field)에서 상대적으로 선형 자화거동(linear magnetization behavior)을 나타냄은 물론 종래의 기계적 공진 마아커에 의해 나타나는 약 400Hz/Oe의 수준에 근접하거나 초과하는 공진주파수 대 바이어스자계(bias field)의 기울기를 나타낸다. 게다가 전형적인 공진 마아커시스템의 수신코일에서 감지된 전압폭은 본 발명의 합금으로 제작된 마아커의 경우가 기존의 공진마아커의 그것보다 크다. 이런 특징들은 기계적인 공진과 조파 재방사에 기초한 시스템사이에서의 방해를 피할 수 있는 것을 보장한다.
본 발명의 금속유리질들은 상술한 자기-기계적인 공진의 여기(excitation) 및 감지를 적용하는 물체감시시스템과 관련된 마아커에서 활성부재로 사용하기에 특히 적합하다. 다른 용도는 자기-기계적인 활성과 그와 관련된 결과를 이용한 센서들과 고투자율을 요구하는 자기부품들에서 찾을 수 있다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에 따르면, 조파마아커시스템이 자기적으로 동작하는 주파수대에서 상대적으로 선형 자기응답을 특징으로 하는 금속유리질합금이 제공된다. 이러한 합금은 자기-기계적 활성에 기초한 감시시스템용 마아커의 조건에 대응하기 위해 필요한 모든 특성을 보이고 있다. 일반적으로 언급된 본 발명의 유리질 금속합금은 필수적으로 CoaFebNicMdBeSifCg의 식으로 이루어진 조성을 갖는데, 여기서 M은 몰리브덴과 크롬으로부터 선택되며, a, b, c, d, e, f 와 g는 원자퍼센트이고, a의 범위는 약 40에서 약 43, b의 범위는 약 35에서 약42, 그리고 c의 범위는 약 0에서 약 5이고, d의 범위는 약 0에서 약 3이고, e의 범위는 약 10에서 약 25이고, f의 범위는 약 0에서 약 15이며, g 의 범위는 약 0에서 약 2이다. 상기 조성물의 순도는 보통 상용된 정도이다. 이들 합금의 리본(ribbons)은 일정 시간동안 승온상태에서 리본의 폭 방향으로 인가되는 자계와 함께 소둔된다. 리본의 온도는 재결정온도이하이어야 하며, 열처리된 리본은 자를 수 있을 만큼 인성이 필요하다. 상기 소둔과정동안의 자계강도는 상기 리본이 자계방향을 따라 자기적으로 포화될 정도이다. 소둔시간은 소둔온도에 의존하며 전형적으로 수분 내지 수시간의 범위이다. 상업적인 생산을 위해서는 연속소둔로(a continuous reel-to-reel annealing furnace)가 바람직할 수 있다. 이 경우 리본의 이송속도(travelling speed)는 분당 약 0.5 내지 12m 사이에서 설정될 수 있다. 상기 소둔된 리본, 예를들면, 약 38mm의 길이의 리본은 마아커 길이방향에 평행하게 인가된 8Oe이상의 자계와 약 48kHz 내지 약 66kHz의 주파수 범위에서의 기계적 공진에 대해서 상대적으로 선형자기응답을 나타낸다. 8Oe이상의 수준에 걸친 상기 선형자기응답 대역은 대부분의 조파마아커 시스템을 기동(triggering)함을 막기 충분하다. 38mm보다 짧거나 길거나 한 길이에서 상기 소둔된 리본은 48-66kHz 범위보다 높거나 낮은 기계적 공진주파수를 보인다.
약 48 내지 60kHz 범위에서 기계적 공진을 갖는 리본이 바람직하다. 그러한 리본은 처치할 수 있는 마아커재로서 사용되기에 충분할 만큼 짧다. 추가로 상기 리본의 공진신호는 오디오와 상용 라디오 주파수 대역과 잘 분리된다.
본 발명의 영역을 벗어나는 대부분의 금속 유리질합금은 약 8Oe 수준이하에서 전형적으로 비선형 자기응답영역을 나타낸다. 이들 합금을 구성된 공진마아커는 돌발적으로 기동되고, 결국 조파 재방사라는 다양함을 갖는 많은 물체감지시스템을 파괴한다.
본 발명의 영역을 벗어나지만, 인정할 수 있는 자계영역에 대한 선형 자기응답을 보이는 금속유리질합금이 몇 가지 있다. 그러나, 이들 합금은 고함량의 몰리브덴과 크롬을 함유하여 결국 원자재 비용 증가와 보다 고융점온도에 의한 리본 주조성 감소를 초래한다. 본 발명의 합금은 확장된 선형 자기응답, 개선된 기계적 응답수행, 양호한 리본 주조성 및 유용한 리본의 경제적 생산을 조합할 수 있다는 측면에서 장점이 있다.
다른 시스템사이의 방해를 피하기 위해 본 발명의 합금으로 제조된 마아커들은 종래의 공진마아커보다 수신코일에서 큰 신호폭을 발생한다. 이런 이유로 마아커의 크기를 줄이거나 검지로폭(detection aisle widths)을 증가시키거나 하는 것이 가능하며, 이런 것들은 물체감시시스템의 바람직한 특징이다.
본 발명의 금속유리질합금은 Co42Fe40B11Si7, Co42Fe40B12Si6, Co42Fe40B13Si5, Co42Fe40B14Si4, Co42Fe40B15Si3, Co42Fe40B16Si2, Co42Fe40B17Si1, Co42Fe40B13Si3C2, Co40Fe40Ni2B13Si5, Co40Fe38Ni4B13Si5, Co41Fe40Mo1B13Si5,Co41Fe38Mo3B13Si5, Co41Fe40Cr1B13Si5,Co41Fe38Cr3B13Si5과 Co43Fe35Ni3B13Si4C2을 포함하는데, 여기서 첨자들은 원자 퍼센트이다.
종래 기계적 공진마아커에 관하여 B-H 곡선에 의해 특정화되는 자화거동이 도1(a)에 나타나 있는데, 여기서 B는 자기유도(magnetic induction)이며, H는 인가 자계이다. 전체 B-H곡선은 저자계영역에 존재하는 비선형 히스테리시스루프(non-linear hysteresis loop)로 갈린다. 상기 마아커의 이 비선형적인 특징은 더 큰 조파발생을 초래하며, 일부 조파마아커시스템을 기동시켜 다른 물체감시시스템 사이의 간섭을 일으킨다.
선형 자기응답의 정의는 도1(b)에 제시된다. 마아커가 외부 자계, H에 의해 길이방향을 따라 자화되면서 자기유도, B가 마아커에 초래된다. 자기응답은 상대적으로 Ha까지는 선형적이며 그 이상을 넘어서면 자기적으로 포화된다. 그 양, Ha는 마아커의 물리적인 크기(demension)와 그 자계이방성(magnetic anisotropy field)에 의존한다. 공진마아커가 조파 재방사에 기초한 감시시스템이 돌발적으로 기동되는 것을 방지하려면 Ha는 상기 조파감시시스템의 동작 대역의 세기이상이어야 한다.
상기 마아커재는 여기펄스(exciting pulse)로 언급되는, 일정한 폭을 갖는 일련의 여기신호에 노출되어 상기 마아커재의 기계적 공진주파수와 조율된다. 상기 마아커재는 상기 여기펄스에 응답하여 도2의 V0에 이르는 곡선을 따라 상기 수신코일에서 출력신호를 발생한다. t0시간에서 여기는 종료되고 상기 마아커는 링다운하기 시작하여 어떤 시간에 걸쳐 V0에서 영으로 감소되는 출력신호로 반영된다. 여기의 종료후 1msec인 시간 t1에서 출력신호는 측정되어 V1의 양으로 표시된다. 따라서 V1/V0는 상기 링다운의 척도이다. 감시시스템의 동작원리가 비록 상기 여기펄스를 구성하는 파형의 형태에 의존하지는 않지만 이 신호의 파형형태는 보통 싸인곡선(sinusodial)이다. 상기 마아커재는 이 여기상태하에서 공진한다.
이 공진을 지배하는 물리적 원리는 다음과 같이 요약될 수 있다: 강자성재료가 자화된 자계에 있을 때 길이의 변화가 일어난다. 상기 재료의 전체 본래의 길이에 대하여 얼마안되는 이 길이의 변화는 자기변형(magnetostriction)으로 명명되며 기호λ로 표시된다. 연신이 상기 자화된 자계에 평행하게 발생되면 λ는 양수가 된다.
양수의 자기변형을 갖는 재료의 리본은 싸인곡선적으로 변화하는 외부자계를 받으면 상기 리본은 길이가 주기적으로 변화할 것이다. 즉, 상기 리본은 진동하게 될 것이다. 외부자계는, 예를들어 싸인곡선적으로 변화하는 전류를 수반하는 솔레노이드(solenoid)에 의해 발생될 수 있다. 상기 리본의 진동파의 반파장길이가 상기 리본의 길이와 일치될 때 기계적인 공진을 일으킨다. 그 공진주파수, fr는
fr= (1/2L)(E/D)0.5
와 같은 관계로 주어지는데, 여기서 L은 리본의 길이, E는 상기 리본의 영률이며, 그리고 D는 리본의 밀도이다.
자기변형의 효과는 상기 재료의 자화가 자화회전(magnetization rotation)을 통해 진행될 때 강자성재에서 관찰된다. 어떤 자기변형도 상기 자화과정이 자구벽 이동(magnetic domain wall motion)을 통과할 때는 관찰되지 않는다. 본 발명의 합금으로 이루어진 마아커의 자기이방성은 마아커의 폭방향을 지나는 자계-소둔(field-annealing)에 의해 유기되기 때문에 바이어스자계(bias field)라고 하는 dc 자계가 상기 마아커의 길이방향을 따라 인가되어 상기 마아커재로부터 자기-기계적 응답효율을 개선한다. 또한 강자성재에서 상기 재료의 기계적 공진주파수가 바이어스자계의 강도를 적절히 선택함으로써 변형될 수 있도록 통상 상기 바이어스자계가 효과적인 E값, 영률을 변화시키는 역할을 함은 잘 알 수 있을 것이다. 도3의 개략도는 이 상황을 상세히 설명하고 있다: 공진주파수, fr는 상기 바이어스자계, Hb를 따라 감소되며, Hb2에서 최대치, (fr)min에 이른다. 상기 수신코일의 t=t1에서 감지된 신호응답, V1은 Hb에 따라 증가하여 Hb1에서 최대치,Vm에 이른다. 동작하는 바이어스자계 근처에서 기울기, dfr/dHb는 감시시스템의 민감도와 관계가 있기 때문에 중요한 양이다.
이상을 요약하면, 양수의 자기변형된 강자성재의 리본은 dc바이어스자계의 존재하에서 구동 ac자계(driving ac magnetic field)에 노출될 때 상기 구동 ac자계의 주파수에서 진동할 것이고, 이 주파수가 상기 재료의 기계적인 공진주파수, fr와 일치할 때 상기 리본은 공진하고 증가된 공진신호폭을 제공할 것이다. 실제로 상기 바이어스자계는 마아커패키지(marker package) 에 존재하는 마아커재보다 더 큰 보자력을 갖는 강자성에 의해 제공된다.
표1은 유리질 Fe40Ni38Mo4B18에 기초한 종래의 기계적 공진마아커에 관한 전형적인 Vm, Hb1, (fr)min과 Hb2값을 나타낸다. 낮은 Hb2의 값은 Hb2이하에서 비선형적인 B-H거동의 존재와 결합하여 이 합금에 기초한 마아커가 일부 조파마아커시스템을 돌발적으로 기동하도록 하므로써 기계적 공진 및 조파 재방사에 기초한 물체 감시시스템 사이의 방해를 초래시키는 경향이 있다.
유리질 Fe40Ni38Mo4B18에 기초한 종래의 기계적 공진 마아커에 대한 전형적인 Vm, Hb1, (fr)min과 Hb2값.38.1mm 길이에서의 리본은 약 57과 60kHz의 범위에 걸친 기계적 공진주파수를 갖 는다.
Vm(mV) Hb1(Oe) (fr)min(kHz) Hb2(Oe)
150-250 4-6 57-58 5-7
표2은 본 특허영역을 벗어난 합금에 대한 전형적인 Ha, Vm, Hb1, (fr)min, Hb2과 dfr/dHbHb값을 나타낸다. 리본속도가 약 0.6m/min에서 약 1.2m/min인 12.7mm 폭의 리본에 대하여 연속로(continuous reel-to-reel furnace)에서 자기-소둔이 수행되었다.
본 특허영역을 벗어난 합금에 대한 Hb=6에서 얻은 전형적인 Ha, Vm, Hb1, (fr)min, Hb2과 dfr/dHb값. 리본속도가 약 0.6m/min에서 약 1.2m/min이고 리본온도가 약 380℃인 경우 연속로에서 자기-소둔이 수행되었다. 소둔자계는 약 1.4kOe이었으며, 리본 폭을 지나 인가되었다.
조성(원자%) Ha(Oe) Vm(mV) Hb1(Oe) (fr)min(kHz) Hb2(Oe) dfr/dHbHa(Hz/Oe)
A.Co42Fe35Mo5B13Si5 11 70 4.5 59 7.5 900
상기 A합금은 인정될 수 없는 자기-기계적 공진응답을 보일 뿐만아니라 고 함량의 몰리브덴을 함유하고 있어 원자재 비용의 증가와 리본 주조성의 감소를 초래한다.
이하, 실시예를 통해 본 발명의 보다 완전한 이해를 도모한다. 여기서 본 발명의 원리와 실시를 예시하기 위해 설명되는 특정기술, 조건, 재료, 비율 및 보고 데이터들은 본 발명의 영역을 한정한다고 해석해서는 안된다.
실시예1:Co-Fe-B-Si-C금속 유리질
1. 샘플의 제조
표3과 표4에서 1 내지 8번 샘플로서 명명된 Co-Fe-B-Si-C계의 유리질금속합금이 나라시만(Narasimhan)에 의해 개시되어 본 명세서의 참고자료로 언급된 미국특허 제4,142,571호의 기술에 따른 용탕으로부터 빠르게 소입되었다. 모든 주조는 100g의 용탕을 사용하여 불활성분위기에서 수행되었다. 전형적으로 두께 25㎛, 폭 약 12.7mm인 최종 리본은 Cu-Kα 조사(radiation)를 이용한 X-선 회절(diffractometry)과 미분 조사 열량(differential scanning calorimetry)에 의해 큰 결정(significant crystallinity)이 없도록 결정되었다. 각 합금은 적어도 70% 유리질이었으며, 많은 경우 상기 합금은 90%이상 유리질이었다. 이들 유리질금속합금의 리본은 강하고, 광택이 있고, 단단하고 인성이 있었다.
상기 리본은 자화, 자기변형, 큐리(Curie) 및 결정화온도, 그리고 밀도측정을 위한 조그마한 조각으로 절단되었다. 자기-기계적 공진특성을 위한 리본은 약 38.1mm의 길이로 절단되었으며, 리본의 폭방향을 따라 인가된 자계에서 열처리되었다. 상기 자계의 강도는 1.1 또는 1.4kOe이었고 그 방향은 상기 리본의 길이방향에 대해 75。에서 90。사이에서 변화되었다. 일부 리본들은 0에서 약 7.2kg/mm2범위의 인장하에서 열처리되었다. 연속소둔로(reel-to-reel annealing furnace)에서 리본의 속도는 분당 약 0.5m에서 약 12m로 변화되었다.
2. 자기 및 열적 특성
표3에 상기 합금의 포화유도(Bs), 포화자기변형(λs), 결정화온도(Tc)가 제시되어 있다. 자화는 밀도데이타를 이용한 상기 포화유도로 변환되는 포화자기값을 emu/g로 부여하여 진동샘플자기측정계(a vibrating sample magnetometer)에 의해 측정되었다. 포화자기변형은 10-6또는 ppm으로 부여하여 변형게이지법(a strain-gauge method)에 의해 측정되었다. 큐리와 결정화온도는 각각 인덕턱스법(an inductance method)과 미분 조사 열량으로 측정되었다.
Co-Fe-B-Si-C 유리질합금의 자기 및 열적 성질. 이들 합금의 큐리온도는 결정화온도이상이며 제시되지 않고 있다.
No. 조성(원자%) Bs(테슬러) λs(ppm) Tc(℃)
Co Fe B Si C
1 42 40 11 7 - 1.56 26 451
2 42 40 12 6 - 1.55 26 456
3 42 40 13 5 - 1.55 25 454
4 42 40 14 4 - 1.55 25 454
5 42 40 15 3 - 1.55 25 454
6 42 40 16 2 - 1.55 25 452
7 42 40 17 1 - 1.55 25 452
8 42 40 13 3 2 1.57 26 442
약 38.1mm x 12.7mm x 20㎛ 크기를 갖는 각 마아커재에 대해 Ha양을 측정하기 위해 종래의 B-H루프에 의해 시험한 다음 221번 감은 감지코일에 위치시켰다. ac 자계가 0에서 약 20Oe 로 변화되는 dc 바이어스자계에서 각 합금으로 구성된 마아커의 경도방향을 따라 인가되었다. 상기 감지코일은 상기 합금 마아커의 ac여기(excitation)에 대한 자기-기계적 응답을 감지하였다. 이들 마아커재는 기계적으로 약 48에서 66kHz 사이에서 공진한다. 상기 자기-기계적 응답을 특징짓는 양을 측정하였으며 표3에 제시된 합금에 대하여 표4에 제시되어 있다.
리본의 길이방향에 수직으로 인가된 약 1.4kOe 의 자계(*로 표시)에서 375℃에서 15분동안 열처리된 표3의 합금에 대해 Hb=6Oe에서 얻은 Ha, Vm, Hb1, (fr)min, Hb2과 dfr/dHb값. 1, 2 와 8번 합금은 약 0.6m/min의 리본속도로 상기 리본의 수직방향으로 인가된 약 1.4kOe의 자계내에서 380℃의 연속소둔로에서 자기소둔되었다.
합금번호 Ha(Oe) Vm(mV) Hb1(Oe) (fr)min(kHz) Hb2(Oe) dfr/dHb(Hz/Oe)
1 20 415 8.0 53.5 17.0 610
2 20 350 9.0 52.3 16.2 620
3* 21 330 7.5 50.8 18.5 470
4* 20 375 9.0 50.5 17.2 540
5* 21 320 8.5 51.3 18.7 420
6* 21 320 8.8 51.5 18.5 490
7* 20 330 8.5 51.0 18.2 550
8 20 325 9.0 54.8 17.0 550
표4에 제시된 모든 합금은 8Oe를 초과하는 Ha를 나타내는데, 이 값은 상술한 간섭문제를 피할 수 있는 것이다. 양호한 민감도 (dfr/dHb)와 큰 응답신호(Vm)는 공진마아커시스템을 위한 보다 작은 마아커를 가져간다.
여러 소둔조건하에서 열처리된 표3의 마아커재의 자기-기계적 공진을 특징짓는 양은 표5에 요약되어 있다.
연속소둔로에서 여러 조건하에서 열처리된 표3의 3번합금에 대해 Hb=6Oe에서 얻은 Vm, Hb1, (fr)min, Hb2과 dfr/dHb값. 소둔자기방향은 리본의 길이방향에 수직이다.
소둔온도 인가자계 리본속도(m/min) 인장(kg/mm2) Vm(mV) Hm(Oe) (fr)min(kHz) Hb2(Oe) dfr/dHb(Hz/Oe)
320℃ 1.1kOe 0.6 0 290 7.2 52.6 16.5 620
0.6 7.2 410 7.2 52.9 16.0 740
2.1 0 290 6.8 52.5 14 800
2.1 7.2 355 6.0 51.9 14 820
360℃ 1.4kOe 0.6 0 330 8.0 53.7 16.5 550
0.6 2.1 390 7.9 52.5 16.5 620
0.6 7.2 410 7.4 52.2 16.3 620
440℃ 1.1kOe 9.1 0 410 6.0 51.5 14.0 900
9.1 1.4 440 6.4 51.6 13.0 780
6.1 0 340 6.4 51.3 14.8 830
6.1 1.4 460 6.3 51.6 13.0 750
3.0 0 320 6.0 51.8 14.6 780
3.0 1.4 430 6.0 51.9 13.7 840
가장 주목할만한 결과는 상기 마아커재가 인장되면서 열처리될 때 신호폭의 증가되는 것이다.
실시예2: Co-Fe-Ni-Mo/Cr/-B-Si-C 금속유리질
실시예1에서 상술한 바와 같이 Co-Fe-Ni-Mo/Cr/-B-Si-C계에서 유리질 금속합금이 제조되어 특정화되었다. 표6에 화학조성, 자기적 그리고 열적 성질이 제시되어 있고 표7에는 표6의 합금의 기계적 공진을 특징짓는 양이 제시되어 있다.
저 코발트 함유 유리합금의 자기 및 열적 성질. Tc는 제1결정화온도이다.
합금번호 화학조성(원자%) Bs(테슬러) λs(ppm) Tc(℃)
Co Fe Ni Mo Cr B Si C
1 41 40 - 1 - 13 5 - 1.51 24 463
2 41 38 - 3 - 13 5 - 1.34 20 467
3 41 40 - - 1 13 5 - 1.51 24 460
4 41 38 - - 3 13 5 - 1.37 20 463
5 40 40 2 - - 13 5 - 1.53 27 456
6 43 35 3 - - 13 4 2 1.50 19 468
7 40 38 4 - - 13 5 - 1.50 23 456
약 0.6m/min의 리본속도와 리본의 길이방향에 수직으로 인가된 약 1.4kOe 의 자계를 받는 연속소둔로에서 380℃에서 열처리된 표6의 합금에 대해 Hb=6Oe에서 얻은 Ha, Vm, Hb1, (fr)min, Hb2과 dfr/dHb값.
합금번호 Ha(Oe) Vm(mV) Hb1(Oe) (fr)min(kHz) Hb2(Oe) dfr/dHb(Hz/Oe)
1 18 400 8.0 52.3 15.3 730
2 14 270 6.0 56.3 12.4 940
3 18 330 8.5 52.6 16.5 720
4 16 320 7.3 53.9 13.8 860
5 20 250 8.0 54.7 15.2 590
6 19 330 8.2 56.7 16.0 500
7 20 420 9.3 53.8 16.4 500
표7에 제시된 모든 합금들은 8Oe를 초과하는 Ha값을 나타내는데, 이 값은 상술한 간섭문제를 피할 수 있는 것이다. 양호한 민감도 (dfr/dHb)와 큰 자기-기계적 공진응답신호(Vm)는 공진마아커시스템을 위한 보다 작은 마아커를 가져간다.
따라서, 더 상세하게 본 발명을 설명한 바와 같이, 그러한 상세 설명은 여기에 엄격히 한정되는 것이 아니며, 더 많은 변화와 변형이 통상적인 기술수준에서 가능하고, 이는 후속되는 청구범위에 정의되는 바 대로 모두 본 발명의 영역에 속한다고 것을 알 수 있다.

Claims (24)

  1. 적어도 약 70%가 유리질이며, 자기적 성질이 향상되도록 소둔되고 그리고 필수적으로 CoaFebNicMdBeSifCg의 식으로 이루어진 조성을 갖으며, 여기서 M은 몰리브덴과 크롬으로부터 선택되고, a, b, c, d, e, f 와 g는 원자퍼센트이고, a의 범위는 약 40에서 약 43, b의 범위는 약 35에서 약42, 그리고 c의 범위는 약 0에서 약 5이고, d의 범위는 약 0에서 약 3이고, e의 범위는 약 10에서 약 25이고, f의 범위는 약 0에서 약 15이며, g 의 범위는 약 0에서 약 2로 구성되는 자기적 금속유리질합금
  2. 제1항에 있어서, 약 48kHz 내지 약 66kHz의 주파수 범위에서 기계적인 공진을 나타내는 열처리된 스트립형태를 갖고, 그리고 약 8Oe의 최소 바이어스자계까지 상대적으로 선형 자화거동을 갖는 합금
  3. 제2항에 있어서, 약 6Oe에서 상기 기계적 공진주파수 대 바이어스자계의 기울기가 약 400Hz/Oe에 근접하거나 초과하는 합금
  4. 제2항에 있어서, 상기 기계적 공진주파수를 최소로 한 경우 바이어스자계가 약 8Oe에 근접하거나 초과하는 합금
  5. 제2항에 있어서, 상기 M은 몰리브덴인 합금
  6. 제2항에 있어서, 상기 M은 크롬인 합금
  7. 제2항에 있어서, 상기 a의 범위는 약 40에서 약 43, b와 c의 합의 범위는 약 35에서 약 42이고, 그리고 e와 f와 g 의 합의 범위가 약 15에서 약 25인 합금
  8. 제7항에 있어서, 상기 합금은 Co42Fe40B11Si7, Co42Fe40B12Si6, Co42Fe40B13Si5, Co42Fe40B14Si4, Co42Fe40B15Si3, Co42Fe40B16Si2, Co42Fe40B17Si1, Co42Fe40B13Si3C2, Co40Fe40Ni2B13Si5, Co40Fe38Ni4B13Si5, Co41Fe40Mo1B13Si5,Co41Fe38Mo3B13Si5, Co41Fe40Cr1B13Si5,Co41Fe38Cr3B13Si5과 Co43Fe35Ni3B13Si4C2로 이루어진 그룹으로부터 선택된 조성이며, 첨자는 원자 퍼센트인 합금
  9. 인가된 자계내에서 마아커의 기계적 공진에 의해 발생되는 신호를 감지하도록 적용되는 물체감시시스템에 있어서,
    상기 마아커는 적어도 하나의 강자성재 스트립을 포함하고, 상기 강자성재는 적어도 약 70%가 유리질이며, 자기적 성질이 향상되도록 소둔되고 그리고 필수적으로 CoaFebNicMdBeSifCg의 식으로 이루어진 조성을 갖으며, 여기서 M은 몰리브덴과 크롬으로부터 선택되고, a, b, c, d, e, f 와 g는 원자퍼센트이고, a의 범위는 약 40에서 약 43, b의 범위는 약 35에서 약42, 그리고 c의 범위는 약 0에서 약 5이고, d의 범위는 약 0에서 약 3이고, e의 범위는 약 10에서 약 25이고, f의 범위는 약 0에서 약 15이며, g 의 범위는 약 0에서 약 2로 구성되는 개선된 물체 감시시스템
  10. 제9항에 있어서, 상기 스트립은 리본, 와이어(wire) 및 시트(sheet)로 이루어진 그룹으로부터 선택되어 구성되는 물체 감시시스템
  11. 제10항에 있어서, 상기 스트립은 리본임을 특징으로 하는 물체 감시시스템
  12. 제9항에 있어서, 상기 스트립은 약 48kHz 내지 약 66kHz의 주파수 범위에서 기계적인 공진을 나타내고, 그리고 적어도 8Oe의 바이어스자계까지 상대적으로 선형 자화거동을 갖는 물체 감시시스템
  13. 제12항에 있어서, 약 6Oe에서 상기 스트립에 의해 나타나는 기계적 공진주파수 대 바이어스자계의 기울기가 약 400Hz/Oe에 근접하거나 초과하는 물체 감시시스템
  14. 제12항에 있어서, 상기 스트립의 기계적 공진주파수가 최소로 한 경우 바이어스자계가 약 8Oe에 근접하거나 초과하는 물체 감시시스템
  15. 제12항에 있어서, 상기 M은 몰리브덴을 특징으로 하는 물체 감시시스템
  16. 제12항에 있어서, 상기 M은 크롬원소임을 특징으로 하는 물체 감시시스템
  17. 제12항에 있어서, 상기 a의 범위는 약 40에서 약 43, b와 c의 합의 범위는 약 35에서 약 42이고, 그리고 e와 f와 g 의 합의 범위가 약 15에서 약 25임을 특징으로 하는 물체 감시시스템
  18. 제17항에 있어서, 상기 스트립은 Co42Fe40B11Si7, Co42Fe40B12Si6, Co42Fe40B13Si5, Co42Fe40B14Si4, Co42Fe40B15Si3, Co42Fe40B16Si2, Co42Fe40B17Si1, Co42Fe40B13Si3C2, Co40Fe40Ni2B13Si5, Co40Fe38Ni4B13Si5, Co41Fe40Mo1B13Si5,Co41Fe38Mo3B13Si5, Co41Fe40Cr1B13Si5,Co41Fe38Cr3B13Si5과 Co43Fe35Ni3B13Si4C2로 이루어진 그룹으로부터 선택된 조성이며, 첨자는 원자 퍼센트임을 특징으로 하는 물체 감시시스템
  19. 제2항에 있어서, 상기 합금은 자계에서 열처리됨을 특징으로 하는 합금
  20. 제19항에 있어서, 상기 자계는 상기 스트립이 자계방향을 따라 자기적으로 포화되는 자계강도로 인가됨을 특징으로 하는 합금
  21. 제20항에 있어서, 상기 스트립은 길이방향이고 상기 자계는 상기 스트립의 폭방향을 통과하여 인가되며, 상기 자계의 방향은 스트립의 길이방향에 대해 약 75。에서 약 90。사이의 범위임을 특징으로 하는 합금
  22. 제21항에 있어서, 상기 자계는 약 1 내지 1.5kOe의 크기를 갖음을 특징으로 하는 합금
  23. 제21항에 있어서, 상기 열처리단계는 상기 합금의 결정화온도이하인 온도에서 수분 내지 수시간 동안 수행됨을 특징으로 하는 합금
  24. 제2항에 있어서, 상기 열처리는 연속로(a continuous reel-to-reel furnace)에서 수행되고, 상기 자계는 상기 스트립의 길이방향에 대해 약 75。 내지 90。 범위의 각도를 이루며 폭방향을 지나 인가된 약 1 내지 1.5kOe의 크기를 갖고, 그리고 상기 스트립은 약 수 mm 에서 약 15mm 범위의 폭과 약 0.5m/min 에서 약 12m/min 범위의 속도를 갖으며 0에서 약 7.2kg/mm2범위의 인장하에 있고, 상기 열처리온도는 상기 스트립의 온도가 결정화온도이하가 되도록 결정되고, 그리고 상기 스트립은 열처리된 후 절단될만큼 충분히 인성을 갖음 특징으로 하는 합금.
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