JP2000514502A - 軟磁性体の焼き鈍しと酸化抑制により形成された半硬磁性要素 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 半硬磁性要素は、アモルファス軟鉄半金属材料（２０）を少なくとも部分的に結晶化することにより形成されている。結晶化を達成するために用いられる加熱処理（２６，３０，３４，３８，４０）は、酸化抑制段階（２６，３０）を含み、この段階は、処理された磁性要素が完全な磁化状態におかれた場合に、残留磁束のレベルを増大させる。

Description

【発明の詳細な説明】 軟磁性体の焼き鈍しと酸化抑制により形成された半硬磁性要素 発明の背景 本発明は、磁性要素に関し、特に半硬磁性要素とその製造方法に関する。 本明細書で使用されるように、用語「半硬磁性要素」は、本明細書では、保磁 力が約１０−５００エルステッド(0e)の範囲であり、磁気要素を実質的に飽和す るように磁化させるDC磁化場を消磁した後の残留磁化が約６キロガウス（KG）以 上として定義される半硬磁性鞘性を有する磁性要素を意味する。これらの半硬磁 性特性を有する半硬磁性要素は何件もの出願で用いられている。一つの特定の出 願では、この要素は磁気電子的物晶監視(EAS)システムにおけるマーカーのため の制御要素として働く。この形式の磁気マーカーは、例えば米国特許第４,５１ ０,４８９号に開示されている。 この’４８９号特許のマーカーにおいては、半硬磁性要素が磁気歪みアモルフ ァス要素に近接して配置されている。半硬磁性要素を実質的に飽和へ磁化するこ とにより、結果的な磁性要素の残留磁化磁性誘導は、磁気歪み要素を有効化、即 ち励磁して呼び掛け場(interrogating magnetic field)に応答して所定周波数で 磁気的に共鳴または振動できる。 この機械的振動に起因して磁気歪み要素は所定周波数の磁場を発生する。発生 した磁場はマーカーの存在を検出するように感応することができる。半硬磁性要 素の消磁により、磁気歪み要素は、無効化、即ち非励磁されるので、作動磁場に 応答して所定周波数で共鳴することはできない。この形式のマーカーは、しばし ば「磁気機械的」マーカーと称されており、それに対応するＥＡＳシステムは磁 気機械的ＥＡＳシステムと称されている。 磁気機械的マーカにおける制御要素として使用可能な低コストの半硬磁性要素 を製造する技術は、来国特許第５,３５１,０３３号に開示されており、この特許 は本願と共通の譲受人に譲渡されている。この’０３３号特許によれば、アモル ファス半金属材料、例えばMertglas（商標名）２６０５ＴＣＡおよび２６０５Ｓ ２などキャストのような軟磁性特性を有する材料が、半硬磁性特性を発現するよ うに処理される。この’０３３号特許に開示された工程は、鋳造されたままのア モルファス合金リボンを個々のストリップに切断して、次いでこのストリップを 焼き鈍し、このストリップの嵩の少なくとも一部を結晶化させるようにすること を含む。 磁気機械的マーカーの「痕跡(footprint)」の低減、換言すれば磁気機械的マ ーカーの大きさの削減は望ましいことであり、またその目的のためには、公知の 制御要素よりも、低コストで製造でき、且つ材料の所定体積あたりの大きな磁束 を与えることのできる半硬磁性制御要素を提供することは望ましいことである。 発明の目的と概要 本発明の目的は、材料が磁化されたときに与えられる磁束を増大するように磁 性材料（磁性体）を処理することである。 本発明の他の目的は、磁気機械的ＥＡＳマーカーのための低コストの制御要素 を与えることである。 本発明の更に他の目的は、マーカーの主要な面におけるプロフィールが狭い磁 気機械的マーカーを与えることである。 本発明の原理によれば、上述と他の目的は、磁性要素の製造方法により実現さ れる。この方法は、磁気的軟金属材料から形成された磁性要素を設ける段階と、 この材料を、その結晶化温度よりも高い温度へ加熱し、その加熱は、実質的に不 活性雰囲気中で実行される段階と、材料を前記結晶化温度よりも高い或る温度へ に保持しつつ、酸素に晒す段階と、この酸素に晒す段階を実質的な不活性雰囲気 を回復することにより終了させる段階と、材料を前記回復された不活性雰囲気中 で室温へ冷却する段階とを含む。好ましくは金属材料は、加熱された材料を酸素 に晒す段階の前後のそれぞれ少なくとも一時間に亘って不活性雰囲気中で焼き鈍 しされる。不活性雰囲気は実質的に純粋な窒素ガスから形成し得る。材料を酸素 へ晒す段階は、加熱チャンバへ入ることが可能とされている雰囲気空気へ材料を 晒すことを含む。この工程の適用のために好適な材料は、基本的に鉄、シリコン およびボロンからなり、Metglas（商標名）２６０５ＳＢ１と称されるアモルフ ァ ス半金属である。 上述の工程により与えられる材料の酸化抑制は、結果として生じる半硬磁性要 素に対し、抑制されてない酸化を用いない場合か、または材料を完全に不活性雰 囲気中で処理する場合の何れかによって生成され得る磁束よりも大きな磁束を与 える。その結果として、本発明の工程は、磁気機械的マーカーのための小型化さ れた低コストの制御要素を生成することを可能とする。 図面の簡単な説明 本発明の上述およびその他の特徴、観点および利点は、添付図面を参照しなが ら以下の詳細な説明を読むことにより一層に明らかになるであろう。 図１は、本発明の原理により生成された半硬磁性要素を含む磁気マーカーを使 用するＥＡＳシステムを示す。 図２は、本発明の半硬磁性要素を形成するようにアモルファス半金属材料へ施 された工程段階のフローダイアグラムである。 図３は、図２の工程の一部をなす加熱処理段階を示すグラフである。 図４は、本発明に係る工程を施した後のMetaglas（商標名）２６０５ＳＢ１の 試料のヒステリシス特性を示す。 図５は、本発明により教示される酸化抑制段階を伴わずに処理された同一の試 料のヒステリシス特性を示す。 詳細な説明 図１は、磁気機械的ＥＡＳシステム１を示し、ここでは呼び掛け領域６におけ る物品１１の存在が、その物品に貼付されたマーカー２の感応により検出される 。マーカー２は、本発明の原理により設計された半硬磁性要素３を含む。この半 硬磁性要素３は、マーカー２内で隣接する信号発生要素を能動化および非能動化 するために使用される。この信号発生要素４は、上述の’４８９号特許または係 属中の米国特許出願第０８／５０８,５８０号（１９９５年７月２８日出願）に 説明された如きアモルファス磁気歪み要素とすることができる。 ＥＡＳシステム１は、ＡＣ磁場を呼び掛け領域６へ送信する送信器５を更に含 む。呼び掛け領域６におけるマーカー２ひいては物品１１の存在は、受信器７に より検出され、この受信器７は、マーカー2の信号発生要素４と、送信された磁 場との干渉により発生した信号を検出する。 半硬磁性要素３を第一の磁気状態（磁化）におくことにより、マーカーの信号 発生要素４を有効にさせて能動状態にさせることができるので、作動磁場に干渉 させて信号を発生させることができる。次いで、要素３の磁化状態を（磁化から 非磁化へ）切り替えることにより、信号発生要素４を無効にさせて非能動状態に させることができるので、信号を発生するように磁場に干渉することはない。こ の方式においては、マーカー２は、再能動化ユニット８および能動化／非能動化 ユニット９における所望の設定により能動化、非能動化、および再能動化できる 。 例 ここで本発明の原理の例示的な例について説明する。この例において処理され た材料は、AlliedSignal Corp.から２６０５ＳＢ１の名称の下に商業的に入手可 能である。この材料は、鉄、シリコンおよびボロンのみから組成されていると考 えられる。この材料は、リールに巻回された約６ｍｍ幅、約５０.８ミクロン(２ ミル)厚の長く薄いアモルファス半金属の形式でAlliedSignalから入手できる。 この例により実行された工程段階は、図２に示されており、初期化段階２０を 含み、ここでは鋳造されたままの材料の連続的リボンを個々のストリップへ切断 する。各切断は、連続的リボンの長さ方向軸に対して３０度の角度でなして、３ ０度の鋭角を持つ平行四辺形を有する個々のストリップを生成するようにするこ とが好ましい。その切断の間の間隔は、各々の尖端から尖端までの長さが約３８ .１ｍｍのストリップを生成するようにする。個々のストリップの幅は、個々の ストリップの最も長い側に対して垂直方向にとって、連続的リボンと同一の幅、 即ち６ｍｍである。 次いで各切断要素を取り扱い易いように配置し、初めには室温にある炉の中に 置く(段階２４)。 炉内の要素へ加熱を施す前に、炉から酸素を排出する(段階２６)。例えば、実 質的に純粋な窒素ガスのような不活性雰囲気を圧力タンク、圧力ポンプその他を 用いて炉内へ導人する。次に、図３に符号２８で示されるように、不活性雰囲気 が存在する中で、要素の温度が材料の結晶化温度よりも高い約５８５℃へ上昇す るまで、要素へ加熱を施す。図３に符号２８で示される加熱は、数分間のみなさ れるように示されており、これは少数の試料が処理される場合を想定している。 しかしながら、約５から６ポンドの総重量を有する試料の製造運転については、 全ての試料の温度を室温から５８５℃へ上昇させるには少なくとも約一時間を要 求されることもあろう。 全ての試料が５８５℃へ上昇したならば、その温度と不活性雰囲気を一時間に 亘って保持し(段階３０)、次に窒素タンクの弁を閉止して(図３における点３２ 、図２における段階３４)、炉を取り囲む周辺空気が炉内へ流入可能にすること により、加熱された要素を酸素に晒す。一時間に亘って温度を５８５℃に保持し ながら酸素に晒し、次いで窒素タンク弁を再開放して全ての酸素を炉から排出さ せ(図３における点３６、図２における段階３８)、不活性雰囲気に復帰させるよ うにする。この復帰された不活性雰囲気中で加熱処理を更に一時間に亘って５８ ５℃で続ける(段階４０)。次に、図３に示される点４２で開始されるのは、不活 性雰囲気を連続的に保持しながら、炉とその内部の材料を室温へ冷却させること である。 その結果として生じる磁性要素は、図１に示される半硬磁性要素３として使用 するのに適している。 この工程により製造された要素にとってのヒステリシスループが、消磁効果の 補正を伴わない場合について図４に示されている。６５.６Ｏｅの保磁力Ｈｃが 測定された。測定された磁化Ｂｍはヒステリシスループが閉じる点で１３.０６ ＫＧであり、１１.０５ＫＧの残留磁化Ｂｒが得られた。 対照するために、図３に示される酸化段階を省いて、不活性雰囲気内で５８５ ℃で更に一時間処理した結果の材料は、図５に示されるヒステリシスループを有 する。非酸化材料については、測定値はＨｃ＝７２.９Ｏｅ、Ｂｍ＝１２.２ＫＧ 、およびＢｒ＝９.７８ＫＧであった。図３に示される工程の酸化抑制段階は、 若干に「高く」且つ「狭い」ヒステリシスループ特性（図４と図５を比較された い）と、実質的に増加された磁束レベルをもたらすことが注目される。 図３に示された工程は、磁性要素の酸化抑制により残留磁束の所定の増加を 依然として達成しつつ、多数の方式に変更できると考えられる。例えば、全て５ ８５℃で窒素中に一時間に続いて、空気中に一時間、次いで窒素中に一時間の順 序は、酸素に晒す段階を純粋な窒素雰囲気内で５８５℃が達成された後のみに開 始するならば、窒素中の二時間の処理に続いて、一時間の酸化を与えるように変 更することができる。同様に、窒素雰囲気を酸化段階の後であって冷却の前に復 帰させるならば、窒素中の二時間の処理を一時間の酸化段階に続けることができ る。酸素または部分的な酸素雰囲気中における室温から５８５℃への加熱かまた は５８５℃から室温への冷却は、何れも残留磁束の所望の増大の生成を弱めやす い抑制されていない酸化をもたらすことが注目される。 上述の手順の他の変形例は、上述の例で得られた６５.６Ｏｅの保磁力よりも 低い保持力を有する材料を生成する目的で、不活性雰囲気中の最終的な焼き鈍し 段階を、高温において、図３における点４２の直前に追加できる。例えば、約７ １０℃における付加的な一時間の焼き鈍しは、約１９Ｏｅの保磁力を生じるよう に企図されている。これに代えて、約８００℃における付加的な一時間の焼き鈍 しを約１１Ｏｅの保磁力を生じるように実行し得る。 一時間の酸化段階は、迅速な酸化を促進する酸化段階中に大気を与えることに より、短時間化を図ることもできる。例えば、純粋なＯ₂大気、または少なくと も空気よりも酸素に富んでいる大気を与え得る。更に、または代替的に、湿度レ ベルを上昇し得る。これらの場合、処理された半硬要素における残留磁束の所望 の増加を生じるのに必要な酸化段階についての最小期間を定めるためには、適度 な回数の実験が要求される。 温度が材料についての結晶化温度（２６０５ＳＢ１については約５４５℃）よ り高いならば、上述の例で使用された温度値よりも低いまたは高い温度における 加熱処理を実行することも企図される。異なる温度レベルの場合、酸化段階の期 間は調節する必要があろう。 上述の工程を２６０５ＳＢ１以外の材料に適用することも企図される。例えば 、上記’０３３号特許に説明された２６０５ＴＣＡおよび２６０５Ｓ２材料の酸 化抑制も残留磁束の増大を生じるものと考えられる。酸化段階についての最小温 度および最小期間を定めるためには、適度な回数の実験をなす必要があろう。 鉄、シリコンおよびボロン以外の組成を含む他のアモルファス材料に対して本 発明の原理を適用することも企図される。更に、非アモルファス磁性要素の酸化 抑制も残留磁束の増大を生じる傾向があると考えられる。 更に、本発明の原理を、本発明の出願によりなされた他の発明の原理と組み合 わせて適用することが企図される。この他の発明は、代理人整理番号Ｃ４−４４ ７、発明の名称「安定機械的特性のための焼き鈍し磁性要素(Annealing Magneti c Elements for Stable Mecahnichal Properties)」として本願と同時に出願さ れた係属中の特許出願に開示されている。 この他の発明の原理によれば、不活性雰囲気中の約４８５℃の温度における前 段焼き鈍し(pre-annealing)が、約一時間かそれよりも長い期間に亘って実行さ れ、結晶化温度よりも高い温度における処理期間中に、他の場合には生じやすい 機械的変形または「リップリング(rippling)」を防止する。 全ての場合において、上述した配置構成は、本発明の適用を示す幾多の可能な 特定実施例の単なる例示であることが明らかである。多数の様々な他の配置構成 が、本発明の要旨と目的とから逸脱することなく、本発明の原理に従って容易に 案出できる。従って、例えば不活性雰囲気として、窒素に代えて、アルゴンガス も使用し得る。

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Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．磁性要素を製造する方法であって、 磁気軟金属材料から形成された磁性要素を設ける段階と、 前記材料をその結晶化温度より高い温度へ加熱し、この加熱は実質的な不活 性雰囲気中で実行される段階と、 前記加熱された材料を前記結晶化温度より高い温度に維持しながら、前記材 料を酸素に晒す段階と、 前記酸素に晒す段階を前記実質的な不活性雰囲気を復帰することにより終了 させる復帰段階と、 前記復帰された不活性雰囲気中で前記材料を室温へ冷却させる段階とを含む 方法。 ２．前記金属材料を実質的な不活性雰囲気中で少なくとも一時間に亘って前記結 晶化温度より高い温度で焼き鈍しする段階を更に含む請求項１記載の方法。 ３．前記焼き鈍しする段階が、前記酸素に晒す段階の前に実行される請求項２記 載の方法。 ４．前記焼き鈍しする段階が、前記復帰段階の後に実行される請求項２記載の方 法。 ５．前記酸素に晒す段階の前に前記材料を実質的な不活性雰囲気中で少なくとも 一時間に亘って前記結晶化温度より高い温度で最初の焼き鈍しをする段階を更 に含む請求項４記載の方法。 ６．前記酸素に晒す段階が、前記材料を空気へ晒す段階を含む請求項１記載の方 法。 ７．前記材料が、アモルファス半金属である請求項１記載の方法。 ８．前記材料が、実質的に鉄、シリコンおよびボロンのみから組成されている請 求項７記載の方法。 ９．前記材料が、基本的にＭｅｔｇｌａｓ（商標名）２６０５ＳＢ１からなる請 求項８記載の方法。 10．前記加熱段階が、前記材料を実質的に５８５℃へ加熱することを含む請求項 ９記載の方法。 11．前記酸素に晒す段階の前に、前記材料を前記実質的な不活性雰囲気中で実質 的に一時間に亘って実質的に５８５℃で第一の焼き鈍しをする段階と、 前記材料を前記復帰された実質的な不活性雰囲気中で実質的に一時間に亘っ て実質的に５８５℃で第二の焼き鈍しをする段階とを更に含み、 前記酸素に晒す段階が、実質的に一時間の期間を含み、前記材料の温度が、 前記酸素に晒す段階中に実質的に５８５℃に維持する請求項１０記載の方法。 12．前記不活性雰囲気が、実質的に窒素からなる請求項１記載の方法。 13．磁性要素であって、嵩の少なくとも一部が磁性要素全体に半硬磁性特性を与 えるように結晶化されたアモルファス磁気軟鉄半金属材料を備え、このアモル ファス磁気軟鉄半金属材料は、実質的に不活性雰囲気中で、その材料について の結晶化温度よりも高い温度に加熱されており、次いで、前記結晶化温度より も高い前記温度に維持されて酸素に晒されてから、酸素の存在しない状態で室 温へ冷却されている磁性要素。 14．実質的に鉄、シリコンおよびボロンのみから組成されている請求項１３記載 の磁性要素。 15．基本的にＭｅｔｇｌａｓ（商標名）２６０５ＳＢ１からなる請求項１４記載 の磁性要素。 16．ＥＡＳシステムに使用されるマーカーであって、 信号発生第一磁性要素であり、この要素が、作動磁場に干渉できる能動状態 と、前記作動磁場に干渉できない非能動状態とを有する信号発生第一磁性要素 と、 この信号発生第一磁性要素に隣接して配置され、前記信号発生第一磁性要素 を前記能動状態および非能動状態にさせる第二の磁性要素であり、その第二の 磁性要素は、嵩の少なくとも一部が第二の磁性要素全体に半硬磁性特性を与え るように結晶化されたアモルファス磁気軟鉄半金属材料を含み、このアモルフ ァス磁気軟鉄半金属材料は、実質的に不活性雰囲気中で、その材料についての 結晶化温度よりも高い温度に加熱されており、次いで、前記結晶化温度よりも 高い前記温度に維持されて酸素に晒されてから、酸素の存在しない状態で室温 へ冷却されている第二の磁性要素とを備えるマーカー。 17．第二の磁性要素が、実質的に鉄、シリコンおよびボロンのみから組成されて いる請求項１６記載のマーカー。 18．第二の磁性要素が、基本的にＭｅｔｇｌａｓ（商標名）２６０５ＳＢ１から なる請求項１７記載のマーカー。 19．呼び掛け領域におけるマーカーの存在を検出する電子的物品監視システムで あって、 信号発生第一磁性要素と第二の磁性要素とを含むマーカーであり、その信号 発生第一磁性要素は、作動磁場に干渉できる能動状態と、前記作動磁場に干渉 できない非能動状態とを有し、第二の磁性要素は、前記信号発生第一磁性要素 を前記能動状態および非能動状態にさせるように前記信号発生第一磁性要素 に隣接して配置され、この第二の磁性要素は、嵩の少なくとも一部が第二の磁 性要素全体に半硬磁性特性を与えるように結晶化されたアモルファス磁気軟鉄 半金属材料を含み、このアモルファス磁気軟鉄半金属材料は、実質的に不活性 雰囲気中で、その材料についての結晶化温度よりも高い温度に加熱されており 、次いで、前記結晶化温度よりも高い前記温度に維持されて酸素に晒されてか ら、酸素の存在しない状態で室温へ冷却されているマーカーと、 前記磁場を前記呼び掛け領域へ送信する手段と、 前記磁場に干渉する前記マーカーの前記信号発生第一要素から生じる信号を 受信する手段とを備える電子的物品監視システム。 20．第二の磁性要素が、実質的に鉄、シリコンおよびボロンのみから組成されて いる請求項１９記載の電子的物品監視システム。 21．第二の磁性要素が、基本的にＭｅｔｇｌａｓ（商標名）２６０５ＳＢ１から なる請求項２０記載の電子的物品監視システム。