SE521232C2 - Givare och metod för beröringsfri detektering av föremål - Google Patents

Description

25 30 521 252 2 970213 P : \150S044 .DOC BÅ/MS elementet, om det utformas på lämpligt vis, fås att själv- svänga mekaniskt. Dessa fysikaliska förändringar detekteras på induktiv väg i byglarna, varvid artikelns närvaro mellan byglarna kan fastställas.

Givare av detta slag visas exempelvis i den ameri- kanska patentpublikationen US-A-5 496 611, den europeiska patentpublikationen EP-A-O 710 923 eller den europeiska pa- tentpublikationen EP-A-0 716 393. nefattar en mjukmagnetisk metalltràd med en diameter pà åt- Samtliga dessa givare in- minstone 60 - 115 pm samt med en längd av mellan 5 och 10 cm. Vid detekteringen utsätts givaren för ett làgfrekvent magnetiskt växelfält, vilket ger upphov till ovan beskrivna Barkhausen-hopp i den magnetiska metalltråden. Dessa Barkhausen-hopp, dvs periodiska växlingar i magnetiserings- riktningen, detekteras på induktiv väg.

Givarna av det ovan beskrivna slaget har den nack- delen, att detektering måste ske tämligen nära givaren, eftersom detekteringen äger rum på induktiv väg. För att erhålla tillräckligt starka Barkhausen-hopp måste vidare den magnetiska metalltråden vara tillräckligt tjock, vilket i hittills kända system inneburit en diameter av åtminstone storleksordningen 100 pm. En så pass kraftig tråd måste fästas pà en hållare, etikett eller liknande för att under- lätta monteringen av givaren på det aktuella föremålet samt för att undvika skador på föremål eller personer.

Uppfinningen Ett syfte med uppfinningen är att möjliggöra en gi- vare för exempelvis ett artikelövervakningssystem, vilken kan detekteras på längre avstånd än hittills kända givare.

Uppfinningen syftar samtidigt till att möjliggöra en givare av mycket enkelt utförande, som kan tillverkas till _ _- -.._ 1.1... 1--.. ..._ a- -AM -..m 4,14 “ :Il yttcibt lag nuatuad uph cum aan uigt mêd lätthet". kan monteras vid det övervakade föremålet, även på sådana posi- N 20 25 30 35 . . . . 4 . 521 232 3 970213 P:\15050å4 .DOC BA/MS tioner, som är dolda eller oátkomliga såväl för en normal kund och butikspersonalen som för en potentiell tjuv.

Ovan angivna syften uppnås genom en givare för berö- ringsfri detektering av föremål, företrädesvis för använd- ning i ett artikelövervakningssystem, innefattande ett trådformigt element av magnetiskt material. Detta trådfor- miga element har en diameter, som understiger 30 pm, och åtminstone en egenskap hos det magnetiska materialet är styrbar genom ett externt applicerat och i tiden varierande magnetfält samt detekterbar på elektromagnetisk väg. Syf- tena uppnås vidare genom ett sätt att detektera närvaron av eller positionen för ett föremål i en övervakningszon, där sättet innefattar följande steg: föremålet förses med ett trådformigt element av amorf eller nanokristallin metallegering med magnetiska egenska- per samt med en diameter, som understiger 30 um, elektromagnetiska signaler alstras i övervaknings- zonen för excitering av det trådformiga elementet, ett i tiden varierande magnetiskt moduleringsfält alstras i övervakningszonen, av det trådformiga elementet alstrade elektromagne- tiska signaler mottages samt de mottagna elektromagnetiska signalerna analyseras för fastställande av elementets (och därigenom föremàlets) närvaro i eller position relativt övervakningszonen i bero- ende av från det magnetiska moduleringsfältet härrörande komponenter i de mottagna elektromagnetiska signalerna. Översiktlig beskrivning av ritningarna Föredragna utföringsformer av uppfinningen skall nu beskrivas med hänvisning till medföljande ritningar, på vilka FIG 1 är ett översiktligt blockschema över ett ar- tikelövervakningssystem, i vilket föreliggande uppfinning tillämpas, samt W U 20 25 30 35 521 232 4 970213 P:\1S05044 .DOC BA/MS FIG 2 och 3 utgör exempel på hur ett klädesplagg kan förses med en givare enligt uppfinningen.

Detaljerad beskrivning av föredragna utföringsformer FIG 1 visar ett artikelövervakningssystem, i vilket en givare enligt föreliggande uppfinning tillämpas. I en övervakningszon 10 är en sändarantenn 11 och en mottagar- antenn 12 anordnade. Sändarantennen 11 är operativt förbun- den med ett utgàngssteg 13, som i sin tur är förbundet med en styrenhet 14. Utgângssteget innefattar diverse kommer- siella driv- och förstärkarkretsar samt organ för alstring av en högfrekvent elektrisk ström, vilken då den matas till sändarantennen 11 växelvis löper fram och tillbaka i den- samma, varigenom ett högfrekvent elektromagnetiskt fält med frekvensen f¶.alstras kring sändarantennen. Enligt vad som beskrivs närmare nedan används detta elektromagnetiska fält för att excitera en i granskningszonen 10 närvarande givare 22 (FIG 2 och 3), så att denna vid mottagandet av elektro- magnetisk energi fràn sändarantennen 11 avger en elektro- magnetisk svarssignal, som mottages av mottagarantennen 12.

Mottagarantennen 12 är operativt förbunden med ett ingángssteg 15, som innefattar konventionella organ med förstärkande och signalbehandlande uppgifter, t ex band- passfilter- och förstärkarkretsar. Ingàngssteget 15 är vidare förbundet med styrenheten 14 och är anordnat att till densamma vidarebefordra en mottagen och enligt nedan behandlad signal.

Såväl sändarantennen 11 som mottagarantennen 12 har således till uppgift att pà känt vis omvandla mellan en elektrisk högfrekvent signal och en elektromagnetisk dito.

Antennerna utgöres med fördel av spiralformade antenner med roterande polarisation (för optimal täckning i alla rikt- ningar), alternativt konventionella sprötantenner av änd- eller mittmatad halvvágstyp, men andra kända antenntyper kan lika gärna användas.

N B 20 25 30 35 .. v.. 521 252 5 970213 P:\1505044 .DOC BÅ/HS Övervakningszonen 10 är vidare försedd med ett mag- netfaltalstrande organ 16, företrädesvis i form av ett spolarrangemang. I de fall, då övervakningszonen 10 utgörs av en stöldövervakad butiksutgáng, är spolarrangemanget av estetiska skäl med fördel anordnat strax under takhöjd eller mellan innertak och yttertak.

Det magnetfältalstrande organet 16 består lämpligen av en elektrisk ledare, t ex koppartràd, som är lindad i ett eller flera varv - antingen fritt eller kring en spol- stomme. Lämpligen har spolarrangemanget väsentligen formen av en rektangel, som är tillräckligt stor för att med ett nedan beskrivet magnetiskt moduleringsfält täcka hela den önskade övervakningszonen, som kan utgöras av hela butiks- utgången eller utvalda delar av densamma.

Spolarrangemanget 16 är via ett drivsteg 17 förbundet med styrenheten 14. Drivsteget 17 innehåller organ för alstring av en moduleringsström imfl, som matas genom spo- len, varvid ett magnetiskt moduleringsfält Hhm alstras kring spolen med utbredning i väsentligen hela övervak- ningszonen 10. Moduleringsströmmen ges en känd amplitud- variation i tiden enligt Lm¿(t) = f(t). I sin enklaste form följer moduleringsströmmen en ren sinusform med frekvensen f mfi, men andra mer komplicerade matematiska funktioner är också tänkbara. Genom den varierande moduleringsströmmen alstras således ett likaledes varierande magnetfält.

Ett föremål 20, i FIG 1 schematiskt illustrerat i form av en ládformig förpackning, förses enligt uppfin- ningen med en givare 22. I FIG 2 och 3 visas ett par olika exempel pà hur givaren 22 kan anbringas pà eller vid det övervakade föremålet (här ett klädesplagg 20). Givaren 22 utgörs av ett mycket tunt trädformigt element av en amorf eller nanokristallin metallegering med magnetiska egen- av -a-vv h. nn Il _ 1 - - @ _..

A .NLA-c .,....._',... 1-...^.. A '1- Dct tLauL .Llulgcl êicmc: ztct Tfilnrü- b.) Q: I' 9 < fi 4 o träd” och har en diameter, som understiger 30 pm. Det träd- formiga elementet 22 är således flera gånger tunnare än W Ü 20 25 30 970213 P: \l505044 .DOC BA/MS tidigare kända tràdformiga givarelement enligt ovan. Före- trädesvis innehåller den amorfa eller nanokristallina me- tallegeringen en hög halt av kobolt samt dessutom en viss andel järn och andra metaller. De allmänna magnetiska egen- skaperna hos sådana material beskrivs i ”RAPIDLY SOLIDIFIED ALLOYS - Engineering Magnetic Properties", av A. Hernando och M. Vázquez, Marcel Dekker Inc., 1993. De beskrivs vi- dare i ”J. Phys. D: Appl. Phys. 29 (1996) 939-949", "A soft magnetic wire for sensor applications", av M. Vázquez och A. Hernando, 1995. Även dokumentet ”IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS”, Vol. 30, No. 2, mars 1994, ”Magnetic Bistabi- lity of Amorphous Wires and Sensor Applications", av M.

Vázquez, C. Gómez-Polo, D.X. Chen samt A. Hernando, be- skriver ämnet. Detsamma är fallet i dokumentet ”IEEE TRANS- ACTION ON MAGNETICS”, Vol. 31, No. 2, mars 1995, ”The mag- netization reversal process in amorphous wires”, av M. Vaz- quez and D.X. Chen. Samtliga dessa dokument hänvisas härmed till i sin helhet.

Det skall dock noga poängteras, att de i ovanstående dokument beskrivna givartillämpningarna samtliga inriktar sig på detektering av Barkhausen-hopp, enligt vad som be- skrivits ovan. Det nya enligt uppfinningen är att vid de- tekteringen i stället använda sig av en annan fysikalisk egenskap hos amorfa och nanokristallina metallegeringar, nämligen att materialets permeabilitet beror av storleken på ett externt applicerat magnetfält i elementets längd- riktning. Dessutom utnyttjas den s k ”Giant Magnetoimpe- dance”-effekten i sådana trádformiga element, då dessa ut- sätts för ett högfrekvent elektromagnetiskt fält. Denna effekt beskrivs exempelvis i skriften ”Giant Magnetoimpe- dance Effect in Soft Magnetic Wires for Sensor Applica- tions", av M. Vázquez, M. Knobel, M.L. Sánchez, R. Valen- zuela och A.P. Zhukov, som kan fås från Institute Magne- tismo Aplicado, P.O. Box 155, 28230 Las Rozas, Spanien. v i... 10 15 20 25 30 35 . . - | H 521 232 7 970213 P: \150S044 .DOC BA/MS Det tràdformiga elementet 22 saknar sä gott som helt magnetostriktion, vilket innebär att det inte är benäget att omvandla magnetisk energi till mekanisk energi och att risken för oönskade mekaniska resonansfenomen således und- viks. Vidare är det tràdformiga elementet 22 elektriskt ledande, och dess längdutsträckning är anpassad för en op- timal antennfunktion enligt nedan. Elementets amorfa eller nanokristallina metallegering har det väsentliga särdraget, att dess permeabilitet kan styras under inverkan frán det av spolarrangemanget 16 alstrade magnetfältet. Denna styr- bara permeabilitet utnyttjas enligt uppfinningen för att styra amplituden hos den från givaren 22 avgivna elektro- magnetiska svarssignalen.

När den i föremålet 20 anordnade givaren 22 utsätts för det elektromagnetiska exciteringsfältet med frekvens f¶.fràn sändarantennen ll, fungerar givarelementet 22 som antenn. En elektrisk ström induceras i det tràdformiga elementet, om dess längd är anpassad till frekvensen fm.- eller snarare till motsvarande våglängd - hos den högfrek- venta exciteringssignalen. Denna inducerade ström löper fram och tillbaka i elementet 22, varvid i sin tur ett elektromagnetiskt fält alstras kring elementet med fort- plantning genom granskningszonen 10 för att slutligen nà fram som svarssignal till mottagarantennen 12, där den upptages och vidarebefordras till styrenheten 14 som en (och det föremål 20, är närvarande i övervaknings- indikation pá att givarelementet 22 vid vilket det är anbringat) zonen 10. Det tràdformiga elementet 22 har således en sam- tidig funktion som både mottagare av den elektromagnetiska exciteringssignalen och sändare av den elektromagnetiska svarssignalen. Eftersom dessa signaler emellertid har samma frekvens, skulle de inte kunna skiljas från varandra, om inte nedanstående åtgärder hade vidtagits.

Genom det ovan beskrivna magnetiska moduleringsfältet kan som sagt permeabiliteten hos det tràdformiga elementma- W U 20 25 30 35 521 232 8 970213 P : \l505044 .DOC BA/MS svarssignalen styras genom den sk ”Giant Magnetoimpedance”-effekten eller ”Skin-Depth”-effekten i det amorfa eller nanokristallina elementmaterialet. Impedansen Z hos det trådformiga elemen- tet 22 kan visas vara en funktion av kvadratroten ur per- meabiliteten p, frekvensen f och resistiviteten p hos ele- mentmaterialet, dvs Z~(n1vfp)%. Genom impedansens permeabi- litetsberoende ändras även amplituden hos strömmen genom ledaren som funktion av permeabiliteten.

Det inses därför lätt, att amplituden hos den i givarelementet 22 inducerade strömmen varierar i takt med variationerna hos det magnetiska moduleringsfältet i över- vakningszonen, vilket enligt ovan styr permeabiliteten hos elementet. Detta innebär i sin tur, att den från elementet 22 avgivna elektromagnetiska svarssignalen utgörs av en med moduleringsfältets frekvens amplitudmodulerad signal med bärvágsfrekvens vid den elektromagnetiska exciteringssig- nalens frekvens. Förekomsten av en amplitudmodulering i den vid mottagarantennen 12 mottagna svarssignalen indikerar således förekomsten av givarelementet 22 i övervaknings- zonen 10.

Enligt ett grundutförande av föreliggande uppfinning utgörs således givaren enbart av ett mycket tunt trådfor- migt element 22 av amorf eller nanokristallin metallegering med magnetiska egenskaper (en s k mikrotràd). Företrädesvis har elementet cirkulärt tvärsnitt och väsentligen rak längdutsträckning. Dessutom har elementet en diameter, som understiger 30 pm och som företrädesvis är så liten som om- kring 5 - 15 um. Längden hos det trådformiga elementet 22 får enligt ovan anpassas till frekvensen hos den elektro- magnetiska exicteringssignalen, men längder mellan någon cm och upp till några dm, eller t o m längre, har visat sig lämpliga. Försök har visat, att vissa typer av mikrotrådar kan uppvisa sådana goda signalegenskaper, som är fullt jäm- förbara med signalegenskaperna hos en konventionell och W U 20 25 30 35 521 252 9 970213 Pfllsosoamooc BA/Ms jämförelsevis grov träd med en diameter på t ex 125 pm.

Eftersom diametern hos en mikrotråd är åtminstone en faktor 10 mindre än diametern hos en konventionell amorf tråd, ger detta en minskning med en faktor 100 vad beträffar tvär- snittsarea och volym. Givarelementet enligt uppfinningen erfordrar således endast omkring en hundradel av den massa, som erfordras för tidigare kända givarelement.

Tack vare att elementet 22 är oerhört tunt (som jäm- förelse kan nämnas, att ett normalt mänskligt huvudhårstrå har en tjocklek av 100 - 300 um), kan det anbringas på ett närmast obegränsat antal olika positioner på eller i det föremål 20, elementet 22 placeras på sådana positioner, liga eller dolda för det mänskliga ögat. Även ett ytligt som skall övervakas. I synnerhet kan givar- som är oåtkom- beläget givarelement är mycket svårt att upptäcka för blotta ögat, inte minst om dess exakta position är okänd.

Det är givetvis även möjligt att märka föremålet med flera givarelement 20, vilka är utplacerade på olika lämpliga positioner i eller på föremålet.

Om det övervakade föremålet 20 utgörs av ett klädes- plagg, såsom den i FIG 2 och 3 visade skjortan 20, kan givarelementet 22 vid tillverkningen av skjortan sys in i en manschett, en plaggetikett För förbättrad stabi- exempelvis en kragsnibb 24, etc, enligt vad som visas i FIG 2. litet kan givarelementet vara skruv- eller spiralformigt bildat.Alternativt kan givarelementet 22 sys eller vävas in i själva tyget, enligt vad som illustreras i detaljförsto- ringen i FIG 3 av en del av skjortans 20 tyg 26.

Om det övervakade föremålet är emballerat i exempel- vis kartong, plastfolie eller pappomslag, kan givarelemen- tet 22 redan vid tillverkningen av emballagematerialet integreras i detsamma.

Enligt en alternativ utföringsform kan det trâdfor- miga elementet 22 utföras som en kärna av amorf eller nano- kristallin metallegering enligt ovan, som är belagd med en W Ü 20 25 30 35 521 232 ;f;a;¿gf@¿ 970213 P: \1505044 .DOC BÅ/MS mnnf-nl ....,...-t... . . . av glas eller annat dielektriskt material. 10 Ûfi cv å Å a n mi; uuuuu. glasbeläggning beskrivs exempelvis i ”Journal of Magnetism and Magnetic Materials 8123 (l996)", ”Magnetic properties of glass-coated amorphous and nanocrystalline microwires”, av M. Vázquez och A.P. Zhukov. Glasbeläggningen har flera fördelar: Tillverkningsmässigt förenklas framställningen av det amorfa tràdmaterialet, om det omges av glas.

Glasmantelns stödjande verkan gör det möjligt att framställa ännu tunnare amorfa trådar, än vad som vore praktiskt möjligt utan glasbeläggningen.

Genom glasbeläggningen uppstår en mekanisk förspän- ning i givarelementet i form av en växelverkan mel- lan glasmantel och amorf metallkärna. Härvid pâver- kas, i ett för givarfunktionen gynnsamt avseende, vissa magnetiska och fysikaliska egenskaper, t ex givarelementets spiralformiga anisotropi (eng.

Helical Anisotropy).

Metallkärnans dielektriska omgivning (glasmanteln) ger en skenbart längre antenn, eftersom utbred- ningshastigheten för elektromagnetiska vågor är lägre i ett dielektriskt material än i vakuum.

Glasmanteln isolerar givarelementet elektriskt, vilket eliminerar risken för oönskad galvanisk kontakt med annat ledande material i det övervakade föremålet. Glasmanteln ger dessutom givarelementet en termisk isolering mot omgivningen.

Enligt ytterligare en utföringsform kan givarelemen- tet enligt uppfinningen förstärkas med ett andra trâdfor- migt stödelement av icke-magnetiskt material. Detta stöd- element lindas eller viras tillsammans med givarelementet 10 521 252 ll 970213 P : \l5050d4 .DOC BIK/MS 22 för att förstärka det senare. Härigenom bildas en garn~ liknande tråd, som med fördel kan vävas in i ett tyg, av vilket t ex klädesplagget tillverkas. Således kan klädes- plaggen redan vid tillverkningen förses med ett stöldskydd enligt uppfinningen.

Uppfinningen har ovan beskrivits i form av ett antal utföringsformer. Det inses dock att uppfinningen äger tillämpning även för andra här ej visade utföringsformer.

Uppfinningen skall således endast anses begränsas av den uppfinningsidé, som definieras av bifogade självständiga patentkrav.

Claims (15)

W U 20 25 30 521 252 12 980219 P: \1505044A.DOC BA/MS PATENTKRAV

1. Givare för beröringsfri detektering av föremål (20), företrädesvis för användning i ett artikelövervak- ningssystem, innefattande ett trådformigt element (22) av magnetiskt material, vars diameter understiger 30 pm, k ä n n e t e c k n a d av att elementet (22) är anordnat att exciteras på elektro- magnetisk väg samt avge en amplitudmodulerad elektro- magnetisk svarssignal i beroende av ett externt applicerat och i tiden varierande magnetfält.

2. Givare enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att det trådformiga elementet (22) består av en amorf metallegering.

3. Givare enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att det trådformiga elementet (22) består av en nanokristallin metallegering.

4. Givare enligt krav 2 eller 3, k ä n n e t e c k n a d av att metallegeringen är kobolt- rik.

5. Givare enligt nágot av krav 2-4, k ä n n e t e c k n a d av att metallegeringens permeabilitet är styrbar genom det varierande magnetfältet.

6. Givare enligt något av ovanstående krav, k ä n n e t e c k n a d av att det trådformiga elementet (22) är belagt med en mantel av glas eller annat dielekt- riskt material. 20 25 30 521 232 13 980219 P: \1505044A.DOC BA/MS

7. givare enligt något av ovanstående krav, k ä n n e t e c k n a d av att det trådformiga elementet (22) har väsentligen cirkulärt tvärsnitt samt är rakt i elementets längdriktning.

8. Givare enligt något av kraven 1-6, k ä n n e t e c k n a d av att det tràdformiga elementet (22) sträcker sig spiral- eller skruvformigt i dess längd- riktning.

9. Givare enligt nágot av ovanstående krav, k ä n n e t e c k n a d av ett trádformigt stödelement av icke-magnetiskt material, som är sammantvinnat med nämnda tràdformiga element (22) av magnetiskt material. (20) i av stegen

10. Sätt att detektera närvaron av ett föremål en övervakningszon (10), k ä n n e t e c k n a t att förse föremålet (20) med åtminstone ett trádformigt element (22) av amorf eller nanokristallin metallegering med magnetiska egenskaper samt med en diameter, som under- stiger 30 pm, alstra elektromagnetiska signaler i övervakningszonen (10) för excitering av det trâdformiga elementet, alstra ett i tiden varierande magnetiskt modulerings- fält i övervakningszonen, mottaga av det trädformiga elementet alstrade elekt- romagnetiska signaler samt analysera de mottagna elektromagnetiska signalerna med avseende på en av det magnetiska moduleringsfältet orsakad amplitudmodulering för fastställande av elementets - och därigenom föremàlets - närvaro i övervakningszonen. Ü 20 25 521 232 14 980219 P: \1505044A.DOC BÅ/MS

11. Sätt enligt krav 10 klädesplagg (20), k ä n n e t e c k n a t av att det tràd- formiga elementet (22) anbringas i en i klädesplagget (20) förefintlig klädesetikett.

12. Sätt enligt krav 10 eller 11, där nämnda föremål av att (24) i k ä n n e t e c k n a t (22) är ett klädesplagg (20), det tràdformiga elementet sys in i en krage klädesplagget (20).

13. Sätt enligt något av kraven 10-12, där nämnda föremål är ett klädesplagg (20), k ä n n e t e c k n a t av att det tràdformiga elementet (22) vävs in i det tyg (26), av vilket klädesplagget (20) är gjort.

14. Sätt enligt krav 10, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda föremål (20) är emballerat i kartong, papp eller liknande och att det tràdformiga elementet (22) vid till- verkningen av emballaget integreras i detsamma.

15. Sätt enligt krav 10, där nämnda föremål (20) är emballerat i en plastfolie eller liknande, k ä n n e t e c k n a t av att det tràdformiga elementet (22) vid tillverkningen av plastfolien integreras i den- S âmmâ .