ДЕТЕКТОР ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ПРИСУТСТВИЯ МАГНИТНОЙ МЕТКИ Российский патент 2002 года по МПК G01V15/00 G06K7/08 

Это изобретение относится к магнитным устройствам обнаружения и считывания и, более конкретно, касается детекторов (или устройств считывания), предназначенных для считывания информации, хранящейся в магнитных метках (тегах) или элементах.

В предыдущих заявках на патент (GB 9506909.2 и PCT/GB 96/00823, опубликованных как WO 96/31790) мы описали новые способы пространственного магнитного опроса, основанные на использовании поведения магнитных материалов, когда они проходят через область пространства, содержащую магнитный нуль. В частности, в наших более ранних заявках описано, как пассивные метки, содержащие один или более магнитных элементов, можно выполнить в виде носителей дистанционно считываемых данных, причем количество и пространственное расположение этих элементов отражает информацию.

В WO 96/31790 (опубликованной 10 октября 1996 г.) магнитный нуль определен как "точка, линия, плоскость или объем в пространстве, в или внутри которой (которого) составляющая магнитного поля в заданном линейном направлении равна нулю" - см. текст со строки 34 на с. 3 по строку 2 на с. 4 этого документа.

В наших предыдущих заявках мы описали ряд возможных конкретных вариантов осуществления системы, в которых для создания магнитного нуля применяются либо постоянные магниты, либо электромагниты. Мы также описали некоторые возможные реализации системы, которые были, в частности, подходящими для меток, в которых используются магнитные элементы с очень малой коэрцитивной силой и высокой магнитной проницаемостью. Эти реализации обнаруживали гармоники наложенного переменного магнитного опрашивающего поля малой амплитуды. Однако, все конфигурации, описанные в предыдущих заявках, могут также работать с модулирующими сигналами, формируемыми путем прохождения метки через магнитный нуль, без необходимости какого-либо наложенного переменного опрашивающего поля. При необходимости, можно ввести поле сканирования нуля, чтобы обеспечить считывание стационарных меток.

Кроме того, основной описанный способ не ограничивается материалом с низкой коэрцитивной силой, и данная заявка касается детектора, который выполнен с возможностью опроса меток, содержащих элементы, изготовленные из магнитного материала с коэрцитивной силой в диапазоне от очень малой (1 А/м или менее) до большой (30000 А/м или более). Этот тип конкретного варианта осуществления эффективен, в частности, для материала с большой коэрцитивной силой, потому что при этом отсутствует необходимость опрашивающего поля переменного тока, имеющего большую амплитуду, которое в противном случае потребовалось бы для такого материала. Другие преимущества включают в себя большую скорость передачи данных и простоту. Изобретение, в частности, пригодно для извлечения информации из таких изделий, как защищенные документы и банкноты, которые уже содержат магнитные элементы, изготовленные из материала, обладающего широким диапазоном коэрцитивных сил. Таким образом, следует признать, что употребляемый здесь термин "метка" охватывает своим объемом такие изделия, как защищенные документы и банкноты.

В US-A-3964042 (D1 - Гарротт) описан детектор металлов для обнаружения железосодержащих предметов, таких, как гайки и болты, в частности - применительно к кормоуборочным машинам, в которых очевидно общим признаком для деталей машин, изготовленных из железа или иных магнитных материалов, является то, что они могут отламываться и вызывать повреждение кормообрабатывающих деталей машин. В этом детекторе металлов используются постоянные магниты для формирования статического магнитного поля, причем эти магниты расположены так, что магнитные силовые линии проходят между полюсами противоположной полярности в первой плоскости и будут пересечены при прохождении посторонних металлических предметов в машину. Обнаруживающая катушка расположена вокруг постоянных магнитов во второй плоскости, которая перпендикулярна первой плоскости. Как показано, эта катушка размещена в горизонтальной плоскости. Поэтому катушка чувствительна к изменениям потока, возникающим в вертикальной плоскости (т.е. перпендикулярной к плоскости катушки). В изображенном конкретном варианте осуществления четыре магнитных катушки расположены в такой конфигурации:

Это достигается путем использования двух магнитов, в основном, подковообразного поперечного сечения, контактирующих бок о бок. Таким образом, имеются два магнитных разрыва, которые оба возникают в вертикальной плоскости, проходящей через плоскость контакта между двумя магнитами. Такое устройство не может обнаружить прохождение магнитного элемента, имеющего ось легкого намагничивания, проходящую через магнитный нуль (который лежит в вертикальной плоскости с геометрией, показанной на фиг.2 и 3 в D1). Причина этого заключается в том, что катушечное устройство, применяемое в D1, чувствительно к изменениям потока в вертикальном направлении, но нечувствительно к изменениям в горизонтальном направлении. В отличие от этого, если бы магнитная метка перемещалась через магнитное устройство в направлении стрелки, показанном на фиг.2 в D1, то не было бы изменений магнитного потока в вертикальном направлении, тогда как должно было бы произойти изменение потока в направлении перемещения (т.е. в горизонтальной плоскости). Далее, в столбце 6, строки 1-29, документа D1 поясняется, что если бы маленький симметричный металлический предмет проходил через магнитный нуль, то маловероятно, чтобы это было обнаружено.

В ЕР-А-0295085 (D2 - "Сайентифик Дженерикс Лтд.") описан способ обнаружения присутствия изделий путем нанесения на них предварительно выбранных магнитных меток, которые скомпонованы в виде кодированного образования, так что можно использовать магнитный опрос для определения присутствия изделия. Здесь не описано использование опрашивающего поля, такого, как используемое в настоящей заявке.

В US-A-5397985 (D3 - У. Дэвид Кеннеди) раскрыт способ электромагнитного изображения электропроводного корпуса, внутрь которого введен преобразователь, перемещаемый вдоль длины корпуса с одновременным вращением. Осуществляются измерения изменения плотности потока.

В GB-A-2071336 (Додуко) раскрыто устройство кодирования положения, в котором применяется бистабильный магнитный элемент, расположенный между двумя постоянными магнитами. Бистабильный магнитный элемент имеет намотанные вокруг него возбуждающую катушку, которая передает поле переменного тока, и обнаруживающую катушку.

Согласно настоящему изобретению, предлагается детектор для обнаружения присутствия магнитной метки, имеющей ось легкого намагничивания, который содержит (1) либо (i) магнит, либо (ii) пару магнитов, расположенных в магнитной оппозиции, причем магнит или магниты расположен(ы) так, чтобы ограничивать пространственную область, вдоль или поперек которой проходит при использовании магнитная метка, при этом расположение указанного магнита (указанных магнитов) и диаграмма направленности результирующего магнитного поля таковы, что вызывают изменение в полярности намагничивания указанной магнитной метки в процессе ее прохождения через магнитный нуль в указанной пространственной области; и (2) принимающую катушку или катушки, расположенные над и в непосредственной близости к одному полюсу указанного магнита (если применяется один магнит) или расположенные между указанной парой магнитов (если применяются два магнита) и предназначенные для обнаружения излучения магнитного диполя, испускаемого магнитной меткой, когда она проходит через указанный магнитный нуль при ориентации оси легкого намагничивания метки в направлении перемещения.

В одном конкретном варианте осуществления детектор содержит пару постоянных магнитов, расположенных в магнитной оппозиции, т.е. так, что одноименные полюса направлены друг к другу, причем пространство между магнитами ограничивает указанную пространственную область, имеет форму щели, через которую при использовании проходит магнитная метка. В еще одном конкретном варианте осуществления детектор содержит один постоянный магнит, причем указанная пространственная область образована областью пространства над одной поверхностью магнита, а магнитная метка при использовании проходит над указанной поверхностью магнита в непосредственной близости к ней.

Как будет описано ниже, выгодно, в частности, изготавливать принимающие катушки в виде сборки печатных плат, в которой обмотки катушек образованы токопроводящими дорожками на платах, а платы взаимно соединены для формирования трехмерной катушки.

Теперь опишем устройство, которое конкретно применимо к бесконтактному считыванию информации из движущихся меток или элементов, содержащих вещество или материал с большой коэрцитивной силой. Это устройство также пригодно для ситуаций, когда поле, необходимое для насыщения материала метки, является сильным, независимым от коэрцитивной силы (например, когда элементы метки имеют плохой коэффициент формы и поэтому - из-за эффектов размагничивания - малую магнитную проницаемость). В устройстве используется магнитный нуль, созданный одним или более сильными постоянными магнитами. Силу магнита (магнитов) выбирают так, чтобы пиковые поля в областях, непосредственно примыкающих к узкой области нуля в центральной точке, были достаточны для насыщения материала метки. Очевидно, что для материалов меток с высокой коэрцитивной силой это потребует мощных магнитов. Отлаженные коммерческие поставки таких составных частей, как правило - изготовленных из сплавов, содержащих редкоземельные элементы, например - самарий и кобальт, осуществляет широкий круг изготовителей.

Когда движущаяся метка или изделие, содержащая один или более элементов из магнитного материала, ориентированных своей или своими магнитомягкой осью или осями (т.е. осью легкого намагничивания) в направлении перемещения, проходит через область нуля, намагничивание магнитного материала меняет полярность. Это изменение намагничивания вызывает импульс излучения магнитного диполя из метки, и это излучение можно легко обнаружить с помощью надлежащим образом расположенной принимающей катушки. Если осуществить такую реализацию - со статической плоскостью нуля и перемещающейся меткой, то вследствие того, что амплитуда сигнала, индуцируемого в принимающей катушке, связана со скоростью изменения намагничивания в магнитном элементе, амплитуда сигнала будет связана со скоростью метки.

Для того чтобы лучше понять изобретение и показать, как ввести его в действие, теперь - в качестве примера - будут сделаны ссылки на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает магнитный режим, на котором основаны детекторы, соответствующие этому изобретению;
фиг.2 изображает первый конкретный вариант осуществления изобретения;
фиг.3 изображает второй конкретный вариант осуществления изобретения;
фиг. 4 показывает предпочтительный способ изготовления принимающей катушки для использования в изобретении;
фиг. 5 схематически показывает одну предпочтительную геометрию катушки для использования в изобретении и
фиг. 6 показывает конфигурацию катушки и магнита для использования в изобретении.

Обращаясь теперь к чертежам, отмечаем, что фиг.1(a) и 1(b) показывают, как изменяется намагничивание магнитного элемента, когда он проходит через область нуля опрашивающего устройства, и форма сигнала, индуцируемого в принимающей катушке. Магнитный нуль соответствует области пространства, в которой магнитный элемент не насыщен. Это изображено на фиг.1 (a) для условия, при котором длина метки меньше ширины магнитного нуля или равна ей. Фиг. 1 (b) показывает напряжение, индуцируемое в принимающей катушке, когда длина элемента метки сравнима с шириной нуля (такой, как на фиг.1(a)). При более длинных элементах метки, различные части элемента метки будут входить в область нуля и выходить из нее в течение того времени, когда элемент метки проходит область нуля. Длительность индуцируемого импульса будет поэтому увеличиваться, как схематически показано на фиг.1(c).

Фиг. 2 изображает один конкретный вариант осуществления изобретения, который принимает форму щелевого устройства считывания. В этой реализации для простоты показана конфигурация с одной принимающей катушкой. Эта конфигурация катушки удовлетворительна для благоприятной окружающей среды, в частности - когда площадь катушки мала. Однако, в окружающей среде, где имеются источники значительного внешнего магнитного шума (например, если устройство считывания является частью машины, содержащей неэкранированные электродвигатели), или площадь катушки велика, предпочтительна более сложная принимающая катушка, содержащая две соосные последовательно соединенные в противофазе катушки. Внешняя катушка этого устройства имеет меньше витков, чем внутренняя катушка, чтобы давать равный, но противоположный дипольный момент (произведение площади на количество витков). Это устройство имеет низкую чувствительность к идущим вдоль оси сигналам внешнего дальнего поля, но сохраняет хорошую чувствительность к элементам метки в центре пары катушек. Следовательно, оно менее подвержено помехам, чем простая одиночная катушка.

Как показано, два магнита, которые ограничивают область "щели", находятся в магнитной оппозиции - (в этом случае) с южными магнитными полюсами, направленными друг к другу. Элементарная магнитная теория показывает, что силовые линии будут сжаты в областях, непосредственно примыкающих к каждому южному плюсу, и что возникнет область нуля, находящаяся в объеме между двумя магнитами. Когда магнитный элемент достигнет щели в направлении, показанном стрелкой, и при ориентации его оси легкого намагничивания в направлении перемещения, он станет намагниченным в направлении перемещения в результате действия составляющей поля в направлении перемещения (которое находится в горизонтальной плоскости, если смотреть на фиг.2). Элементарная магнитная теория указывает, что поле этой составляющей возрастает до максимума при достижении щели, а потом уменьшается до нуля в магнитном нуле внутри щели. Поскольку метка продолжает свое перемещение через щель, она снова подвергается воздействию составляющей магнитного поля в направлении перемещения, но на этот раз направление этой составляющей является противоположным по сравнению с магнитным полем составляющей, действовавшим, когда метка достигала щели. Следовательно, поляризация магнитной метки изменилась на противоположную после прохождения через магнитный нуль. Это изменение намагничивания на противоположное приводит к испусканию излучения магнитного диполя, которое обнаруживается катушкой.

Фиг. 3 изображает второй конкретный вариант осуществления изобретения, который принимает форму одностороннего устройства считывания, причем это устройство считывания пригодно для считывания магнитных элементов примерно до 1 мм длиной с коэрцитивными силами примерно до 500 эрстед (39788,75 А/м). Чувствительность устройства считывания приблизительно одинакова в диапазоне 0-1 мм от поверхности катушек, причем максимально используемый диапазон составляет около 2 мм. В этом конкретном варианте осуществления статические магнитные поля создаются полностью насыщенным спеченным постоянным NdFe-магнитом, имеющим размеры: длина - 15 мм, ширина - 5 мм и толщина - 10 мм, и поверхностное поле с магнитной индукцией 1,0 тесла. Как пояснялось выше в связи с фиг.2, рассмотрение силовых линий, образуемых мощным магнитом, покажет, как магнитный элемент (магнитные элементы) в метке или изделии сначала намагничиваются в одной полярности, а затем - в противоположной, когда они проходят над поверхностью магнита. В средней точке перемещения метки над магнитом горизонтальное поле равно нулю, т.е. магнитный элемент (магнитные элементы) находится (находятся) в магнитном нуле. Вся принимающая катушка изготовлена из двух катушек, соединенных в противофазе, т.е. в виде цифры 8.

Каждая катушка намотана на каркас шириной 1,6 мм и длиной 10 мм и содержит 70 намотанных столбиком витков эмалированного медного провода диаметром 0,1 мм. Эта конфигурация обеспечивает хорошую связь с излучением магнитного диполя из меток, а также обеспечивает быстрый спад чувствительности с увеличением расстояния от катушки. Такой профиль чувствительности желателен для работы в окружающей среде, где могут присутствовать источники значительного внешнего магнитного шума (например, если устройство считывания является частью машины, содержащей неэкранированные электродвигатели). Выходной сигнал низкого уровня из принимающей катушки усиливается в 1000 раз в малошумящем измерительном усилителе - таком устройстве, как интегральная схема АМР-027 для аналоговых устройств, имеющаяся в продаже. Ширина полосы системы определяется фильтром нижних частот, реализованным с использованием дешевых операционных усилителей, например - типа TL084. Оптимальное отношение "сигнал - шум" обеспечивается, когда ширина полосы фильтра согласуется с максимальной шириной полосы сигнала. Для меток с магнитными элементами минимальной длины 1 мм, перемещающихся со скоростями 10 м/сек, подходящей является ширина полосы 5 кГц.

Метка, изображенная на фиг.2, показана с тремя магнитными элементами, а метка на фиг. 3 - с четырьмя магнитными элементами. Из рассмотрения фиг. 1(а)-1(с) следует признать, что устройства, показанные на фиг.2 и 3, будут считывать эти метки, выдавая сигналы, количество которых соответствуют количеству магнитных элементов, имеющихся в метке, а характеристики которых зависят от длины магнитных элементов (сравните фиг.1(b) и 1 (с)). Таким образом, эти устройства функционируют как устройства считывания меток.

Важно, чтобы только что описанные конфигурации гарантировали, что конструкция имеет адекватную механическую устойчивость, чтобы избежать индуцируемого напряжения, возникающего из-за перемещения катушки (катушек) относительно магнитов. Уместными являются те способы, которые уже используются в промышленных детекторах металлов, например, такие, как: средства для предотвращения непосредственного контакта меток с принимающей катушкой (принимающими катушками), впаивание катушек и магнитов в несущую конструкцию твердым припоем и изоляция этой конструкции от внешней вибрации.

Эффективность вышеописанных конкретных вариантов осуществления можно увеличить, обратив внимание на конкретные области их изготовления. Они связаны с геометрией и изготовлением катушек, чередованием многочисленных катушек в многоканальных конструкциях, а также с расположением постоянного магнита относительно катушек. Все это обеспечивает повышенную работоспособность в процессе обнаружения. В частности, работоспособность ПН-головок (головок с плавающим нулем) при обнаружении соответствующих магнитных материалов ограничивается четырьмя факторами, а именно:
1) чувствительностью принимающей катушки, которая определяется зависимостью количества витков катушки, образующей антенну (которая определяет обнаруживаемый сигнал), от электрического сопротивления катушки (которое устанавливает внутренний шум, формируемый катушкой);
2) нечувствительностью катушки к источникам (окружающего) электромагнитного шума дальнего поля, требующей сбалансированной геометрии антенны (квадрупольная характеристика или характеристика более высокого порядка);
3) напряженностью магнитного поля в областях, смежных с областью нуля, и ее градиентом через нуль и
4) конструктивной жесткостью антенны относительно магнита, создающего отклоняющее поле.

Теперь будут описаны конструктивные признаки, основанные на этих соображениях.

Конкретная предпочтительная компоновка вытекает из использования многослойной печатной платы или ПП (обычно используемой при реализации электронных схем) для создания катушек, требуемых в ПН-головках. Рисунки на таких схемах формируют методом литографии, обеспечивая достижение очень точной геометрии катушек и ее надежное воспроизведение в массовом производстве. Эта форма изготовления обеспечивает очень точную "намотку катушек", так что можно предусмотреть производство широкого круга специализированных антенн, в которых используются прецизионные трехмерные допуски, которые достижимы в производстве многослойных ПП, изготавливаемых методом литографии. Формирование катушек осуществляют, используя конкретную геометрию дорожек на каждом слое, а затем соединяя их с помощью стандартных способов черезслойных межсоединений.

Кроме того, масштабирующие катушки для различных приложений становятся очень простыми, а конструкции катушек, которые было бы трудно реализовать с помощью способов обычной технологии намотки катушек, становятся относительно простыми.

На фиг.4 приведен пример такого способа. Здесь показаны важные физические параметры одной конкретной реализации технологического маршрута. На фиг. 4а мы можем увидеть основную идею формирования рисунка металлических дорожек (эквивалента провода в обычной катушке), реализованную с использованием литографических средств. Эти дорожки затем взаимно соединяются для создания трехмерной катушки, причем дорожки на каждом слое образуют обмотки (фиг.4b). На практике мы реализовали катушки, в которых применяются свыше 20 слоев ПП.

В конкретных приложениях может иметь преимущества перекрывающаяся геометрия. Например, устройство, состоящее из одной сбалансированной катушки, непригодно для обнаружения на больших площадях, потому что оно становится исключительно чувствительным к внешним помехам. Охват желаемой площади некоторым количеством меньших катушек, имеющих перекрывающиеся области обнаружения, решает эту проблему. Фиг.5 показывает, каким образом это может быть достигнуто, изображение катушки гравируется на различных слоях многослойной платы.

Конструкция ПП также сама по себе жесткая, и это выгодно при предотвращении перемещения обмоток катушки относительно магнита. Любое такое перемещение, вызванное, например, случайными ударными воздействиями на головку, могло бы привести к формированию нежелательных шумовых напряжений в катушке, снижая таким образом работоспособность.

Дополнительное конструктивное усовершенствование заключается в расширении поверхности постоянного магнита, чтобы она проходила через центр катушек. Это увеличивает напряженность поля в интересующей области и обеспечивает повышенное разрешение или уровень сигнала, или оба эти параметра, по сравнению с конструкцией, в которой поверхность магнита находится ниже уровня катушек. Реализация, в которой используется магнит с расширенным полюсным элементом, показана на фиг.6. В ней используются катушки, выполненные на ПП, но она могла быть воплощена и с катушками, намотанными обычным способом.

Изобретение относится к магнитным устройствам обнаружения и считывания магнитной метки. Устройство содержит магнит или комплект магнитов, расположенный так, что ограничивает пространственную область, через которую или вдоль которой проходит при использовании магнитная метка. Расположение указанного магнита (указанных магнитов) и диаграмма направленности результирующего магнитного поля таковы, что вызывают изменение в полярности намагничивания указанной магнитной метки в процессе ее прохождения вдоль или поперек указанной пространственной области. Для обнаружения излучения магнитного диполя, испускаемого магнитной меткой, когда она проходит вдоль или поперек указанной магнитной области, служит принимающая катушка или катушки. Принимающие катушки предпочтительно выполнены в виде сборки печатных плат, токопроводящие дорожки которых взаимно соединены для образования трехмерной катушки, имеющей обмотки в разных слоях. 2 с. и 9 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Детектор для обнаружения присутствия магнитной метки, имеющей ось легкого намагничивания, который содержит (1) либо (i) магнит, либо (ii) пару магнитов, расположенных в магнитной оппозиции, причем магнит или магниты расположены так, чтобы ограничивать пространственную область, вдоль или поперек которой проходит при использовании магнитная метка, при этом расположение указанного магнита (указанных магнитов) и диаграмма направленности результирующего магнитного поля таковы, что вызывают изменение в полярности намагничивания указанной магнитной метки в процессе ее прохождения через магнитный нуль в указанной пространственной области; и (2) принимающую катушку или катушки, расположенные над и в непосредственной близости к одному полюсу указанного магнита (если применяется один магнит) или расположенные между указанной парой магнитов (если применяются два магнита) и предназначенные для обнаружения излучения магнитного диполя, испускаемого магнитной меткой, когда она проходит через указанный магнитный нуль при ориентации оси легкого намагничивания метки в направлении перемещения. 2. Детектор по п. 1, который содержит пару постоянных магнитов, расположенных в магнитной оппозиции, причем пространство между магнитами ограничивает указанную пространственную область и имеет форму щели, через которую при использовании проходит магнитная метка. 3. Детектор по п. 1, который содержит один постоянный магнит, причем указанная пространственная область образована областью пространства над одной поверхностью магнита, а магнитная метка при использовании проходит над указанной поверхностью магнита в непосредственной близости к ней. 4. Детектор по пп. 1, 2 или 3, в котором указанные принимающие катушки содержат одну или более пар катушек, соединенных в противофазной компоновке. 5. Детектор по п. 3, в котором указанные принимающие катушки содержат множество взаимно соединенных катушек, расположенных в геометрически перекрывающейся конфигурации. 6. Детектор по п. 4 или 5, в котором указанные катушки выполнены в виде сборки печатных плат, причем обмотки катушек образованы токопроводящими дорожками на платах, а платы взаимно соединены для образования трехмерной катушки. 7. Детектор по любому предыдущему пункту, в которой единственный или каждый магнит включает в себя полюсный элемент, который проходит между обмотками указанной принимающей катушки или катушек. 8. Детектор по любому предыдущему пункту, который дополнительно содержит средство обработки сигналов, подключенное к указанной принимающей катушке. 9. Детектор по п. 8, в котором указанное средство обработки сигналов выполнено и скомпоновано с возможностью формирования выходного сигнала, который соответствует информации, хранящейся в указанной магнитной метке, или коррелируется с этой информацией. 10. Детектор по п. 8 или 9, в котором указанное средство обработки сигналов содержит малошумящий измерительный усилитель, входы которого подключены к принимающей катушке (принимающим катушкам), а выход которого подключен к фильтру нижних частот. 11. Устройство считывания банкнот, содержащее детектор по любому предыдущему пункту.

Приоритет по пунктам:
19.01.1999 - по п. 11.