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Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung ist allgemein aus
dem Gebiet der Sicherheitstechniken und bezieht sich auf ein Sicherheitssystem
zum Schützen
eines Gegenstands, der ein vorbestimmtes Codemuster trägt und eine
Methode um diese Codemuster zu lesen.
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Hintergrund
der Erfindung
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Es ist oft der Fall, dass Dokumente
oder andere wertvolle Gegenstände
vor Fälschen,
Verfälschung
und unauthorisierter Verwendung geschützt werden müssen. Der
akzeptierte Weg des Schutzes besteht daraus, eine oder mehrere Sicherheitseinrichtungen
in ein Dokument oder einen Gegenstand einzuführen oder diese Einrichtungen
daran zu befestigen. Die Dokumente und Gegenstände, die geschützt werden
sollen, beinhalten ID Karten, Pässe, Erlaubnisse,
Sicherheitsausweise, Währungen, Schecks,
Reisetickets, Schlüssel
und Schlüsselkarten
und dergleichen. Die am meisten verwendeten enkodierten Sicherheitseinrichtungen
sind so genannte "optische
Barcodes" und Magnetstreifen.
Solche enkodierten Sicherheitseinrichtungen können entweder sichtbar oder
dem Blick verborgen sein.
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Konventionelle optische Barcodes
leiden unter dem Nachteil, der mit der Tatsache verknüpft ist, dass
Staub oder Schmutz, die unabsichtlich entweder auf einem Datenaufzeichnungs-Medium oder einem
Datenleser auftreten, Lesefehler bewirken können. Zusätzlich können in Magnetstreifen die
aufgezeichneten Daten entweder durch Einfluss eines umgebenden Magnetfelds
oder erhöhte
Temperatur beschädigt
werden.
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Das U.S. Patent Nr. 4 4,883,949 offenbart
ein System mit erhöhter
Code-Zuverlässigkeit.
In diesem System sind Datenaufzeichnungs-Einrichtungen durch intermittierende
Muster von verschiedenen Materialien definiert, die die Hochfrequenz-Impedanz der
magnetischen Spule eines Lesekopfs beeinflussen können. Die
Muster-Materialien können
sich in elektrischer Leitfähigkeit
und/oder magnetischer Permeabilität unterscheiden.
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Ein anderer gemeinsamer Nachteil
der optischen Barcodes und Magnetstreifen ist es, dass sie mit konventionellen
Einrichtungen leicht ausgelesen und vervielfältigt werden können. Um
die Sicherheit von wichtigen Dokumenten und wertvollen Gegenständen vor
unauthorisierter Verwendung oder Verfälschung zu erhöhen, wurde
vorgeschlagen, einen magnetischen Barcode-Streifen oder andere Muster einzubauen,
und zwar versteckt im Substrat des Dokuments oder Gegenstands oder
verborgen unter anderen Attrappen von Sicherheitselementen wie optischen
Barcodes oder Hologrammen.
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In den bekannten Einrichtungen der
spezifizierten Art wurden magnetische Materialien meist in der Form
magnetischer Tinten benutzt, die Pulver hoher magnetischer Koerzitivität, z. B.
Fe2O3, BaFe12O19 und dergleichen
enthalten. Trotzdem ist erkannt worden, dass die starken, beständigen Magnetfelder
solcher Materialien das Auslesen und Vervielfältigen der enkodierten Muster
ermöglichen.
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Im U.S. Patent Nr. 5,616,911 ist
vorgeschlagen, dass das versteckte magnetische Barcodemuster gebildet
wird unter Verwendung der niedrig konzentrierten magnetischen Tinte,
welche sehr niedrige, annähernd
verschwindende Remanenz zeigt. Solche magnetischen Tinten können aus
weichmagnetischen Materialien gebildet werden beinhaltend Fe-Pulver,
Ferrite, Sendust-Legierungs-Pulver, amorphe Legierungen in Pulverform
und dergleichen. Die Konzentration dieser Materialien in einer Tinte
oder einem Bindemedium von weniger als 10% bezogen auf das Volumen
ist bevorzugt. Ein Lesekopf, welcher ein magnetoresistives Innenfeld-Erfassungselement
verwendet, wird benutzt, um die Bänder des Barcodemusters zu
magnetisieren und ihre Breite oder den Abstand zwischen ihnen nachzuweisen,
während
sie sich auf den Kopf bezogen bewegen. Nachdem sie gelesen wurden,
zeigt das Codemuster praktisch keine verbleibenden magnetischen Felder
und ist nicht lesbar durch einen magnetischen Leser. Einer der Nachteile
des vorgeschlagenen Sicherheitssystems ist es, dass die angewandten
magnetischen Pulver leicht verfügbar
sind und ihre magnetische Signatur nicht spezifisch ist, und dadurch die
Nachahmung des Dokuments weiterhin möglich ist. Ein anderer Nachteil
ist es, dass das empfindliche Gebiet des Lesekopfes mit einem magnetoresistiven Erfassungselement
groß ist.
Die Größe der Elemente des
Codemusters und die Entfernung zwischen ihnen kann nicht schmaler
sein als das empfindliche Gebiet des Lesekopfes, ansonsten würden diese Elemente
nicht eindeutig sein. Daher ist die Informations-Dichte eines solchen
Kodierungssystems intrinsisch niedrig. Weiterhin verschlechtert
sich die Auflösung
des Lesekopfs stark mit der Zunahme der Entfernung zwischen dem
magnetoresistiven Erfassungselement und dem Codemuster. Das gleiche
ist relevant für
das Barcode-System offenbart in dem vorstehend genannten U.S. Patent
4,883,949.
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Das U.S. Patent Nr. 5,801,630 offenbart
eine Methode zur Herstellung eines magnetischen Materials mit einer
hoch-spezifischen magnetischen Signatur, nämlich mit einer magnetischen
Hysterese-Kurve, die eine große
Barkhausen Diskontinuität
bei niedrigen Koerzitiv-Werten besitzt. Dieses Material wird aus
einer negativ-magnetostriktiven Metall-Legierung durch Gießen eines
amorphen Metalldrahtes hergestellt, der Draht wird dabei bearbeitet,
um im Draht eine longitudinale Kompressions-Spannung zu bilden,
und der bearbeitete Draht wird ausgeglüht, um einiges der longitudinalen
Kompressions-Spannung zu entlasten. Ein Nachteil. eines solchen
Materials beim Einsatz als Sicherheits-Muster ist der relativ große Durchmesser
des Drahtes, welcher ungefähr
50 μm beträgt. Ein
anderer Nachteil ist der komplizierte, mehrstufige Prozess der Herstellung
des Drahts. Noch ein anderer Nachteil des Materials ist die amorphe
Sprödigkeit
des Drahts, welche aufgrund des Ausglühens des Drahts auftritt. Solche Sprödigkeit
wird verhindern, das dass Material in Sicherheits-Mustern verwendet
wird, die in Papier-Dokumenten wie Währung, Schecks, Pässe, etc.
gebildet werden.
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Das U.S. Patent Nr. 5,583,333 offenbart
eine Technik zum Überprüfen von
Objekten, die bistabile magnetische Einrichtungen enthalten, durch
Mittel der Umkehrung der Magnetisierungsrichtung der bistabilen
magnetischen Einrichtung. Diese Technik verwendet einen Lesekopf,
der konstruiert ist, um erste und zweite Magnetfelder entgegengesetzter
Richtung zu erzeugen, die auf ein zu überprüfendes Objekt angewendet werden,
welche einen Abtastbereich haben, der bistabile magnetische Einrichtungen enthält, die
auf einem nichtmagnetischen Material gebildet sind. Die bistabilen
magnetischen Einrichtungen, wenn sie der Reihe nach dem ersten und zweiten
Magnetfeld entgegengesetzter Richtung ausgesetzt werden, erfahren
eine drastische Flussumkehr, die dem starken Barkhausen Effekt zugeordnet
werden kann.
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Gemäß einer anderen bekannten Technik wird
ein Glas-beschichteter, magnetischer Mikrodraht als magnetisches
Material verwendet, das einzigartige magnetische Eigenschaften besitzt.
Dieser Mikrodraht wird direkt aus der Schmelze durch eine modifizierte
Taylor-Methode gegossen,
welche in der Technik gut bekannt ist, und zum Beispiel offenbart ist
im Artikel von LW. Donald and B. L. Metcalf "The Preparation, Properties and Applications
of Some Glass-Coated Metal Filaments Prepared by the Taylor-Wire
Process", Journal
of Material Science, Vol. 31, Seiten 1139–1149, 1996. Es ist ein wichtiges Merkmal
des Taylor-Prozesses,
dass er es reinen Metallen und Legierungen ermöglicht, in der Form eines Mikrodrahtes
in einem einzelnen Verfahren hergestellt zu werden, und dadurch
eine intrinsisch nicht teure Methode für die Herstellung von Mikrodraht
anzubieten. Die Glas-beschichteten
Mikrodrähte
können
mit sehr kleinen Durchmessern hergestellt werden (in einem Bereich
von 1 μm
bis zu einigen 10 Mikrometern), aus einer Vielfalt von magnetischen
und nicht-magnetischen Legierungen und reinen Metallen. Magnetische,
Glas-beschichtete Mikrodrähte können ebenso
mit amorphen Metall-Strukturen hergestellt werden, wie offenbart
in dem Artikel von H. Wiesner und J. Schneider "Magnetic properties of Amorphous Fe-P
Alloys Containing Ga, Ge and As", Physica
Status Solidi, Vol. 26, Seiten 71–75, 1974, und anderen Publikationen,
die in der vorstehend genannten Rückschau von Donald und Metcalf
als Referenzen zitiert werden. Diese amorphen, magnetischen, Glas-beschichteten Mikrodrähte besitzen gute
mechanische Festigkeit, Flexibilität und Korrosionsbeständigkeit,
so dass sie einfach in Papier, Plastik und andere Dokumenten-Substrat-Materialien
eingebaut werden können.
Amorphe, magnetische, Glas-beschichtete Mikrodrähte sind gekennzeichnet durch
ihre einzigartige Antwort, die unter anderem formgezogenen amorphen
Drähten
des vorstehend zitierten US'630 ähnelt.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Demgemäß existiert die Notwendigkeit
in der Technik, Sicherheitssysteme zu verbessern, indem ein neues
Sicherheitssystem zur Verfügung
gestellt wird, unter Verwendung eines Codemusters gebildet aus magnetischen
Elementen mit extrem niedriger Koerzitivität und hoher Permeabilität, und eines
neuen Lesekopfes und einem Verfahren zum Lesen des Codemusters.
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Es ist ein Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung,
ein solches System zur Verfügung
zu stellen, das ein magnetisches Nur-Lese-Muster mit hoher Dichte,
welches nicht sichtbar ist für
die Augen einer Person, und einen zum Lesen dieses Musters geeigneten
Lesekopf besitzt.
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Es ist ein anderes Merkmal der vorliegenden Erfindung,
einen Lesekopf zur Verfügung
zu stellen, der konstruiert ist, um an die einzigartigen Antwort-Charakteristiken
des Materials des Codemusters angepasst zu sein.
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Die Hauptidee der vorliegenden Erfindung beruht
auf dem folgenden. Ein Nur-Lese-Codemuster,
das bestimmt ist, an ein Dokument angebracht zu werden, das zu schützen ist,
wird gebildet durch magnetische Elemente, die eine extrem niedrige
Koerzitivität
(weniger als 20 A/m) und hohe Permeabilität (wesentlich höher als
20000) besitzen. Ein Lesekopf, zusätzlich zu den konventionellerweise
verwendeten magnetischen Erfassungselementen (z. B. Spulen), wird
mit einem magnetischen Mittel versehen (aufweisend mindestens zwei Permanentmagnete),
das ein statisches Magnetfeld einer spezifischen Konfiguration erzeugt.
Dieses statische Magnetfeld beeinflusst einerseits die magnetischen
Elemente so, um ihr magnetisches Antworten diesem statischen Feld zur
Verfügung
zu stellen, und andererseits hat es eine solche Konfiguration, um
ein ausgedehntes, schmales Gebiet (Fläche) zu definieren, worin der statische
Magnetfeldvektor im wesentlichen gleich Null ist. Das Erfassungselement
ist im wesentlichen innerhalb dieses Nullfeld-Gebietes angeordnet.
In anderen Worten, das von der magnetischen Einrichtung erzeugte
Magnetfeld hat einen hohen Gradienten in der empfindlichen Zone
des Erfassungselements. Durch die vorstehenden magnetischen Charakteristiken
der magnetischen Elemente werden sie ein effektives. (erkennbar
durch das Erfassungselement) Ansprechen nur innerhalb dieser schmalen (d.h.
flächen-artigen)
Zone hervorbringen, während sie
an jedem Ort ausserhalb dieser Fläche durch das statische Magnetfeld
gesättigt
sind. Das magnetische Ansprechen dieser magnetischen Elemente wäre ohne
die Verwendung des Magnetfelds mit hohem Gradienten von dem Erfassungselement
alleine nicht mit genügender
Auflösung
lesbar. Um weiterhin das Codemuster zu lesen sollten die magnetischen Elemente
mit Bezug auf das Erfassungselement verschoben werden und ausserhalb
der magnetischen Einrichtung angeordnet sein, vorausgesetzt, dass während dieser
Verschiebung jedes der magnetischen Elemente die Nullfeld-Fläche in einer
Leserichtung senkrecht zu dieser Fläche überschreitet. Das Muster kann
einen binären
Code repräsentieren, worin
die binäre "1" und "0" entweder
durch verschiedene Entfernungen zwischen den benachbarten magnetischen
Elementen, oder durch verschiedene Parameter der magnetischen Elemente
(z. B. Material oder Abmessungen) definiert sind.
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Daraufhin wird gemäß eines
Aspekts der vorliegenden Erfindung ein Sicherheitssystem zum
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Schutz eines Gegenstands, welcher
ein vorbestimmtes Codemuster trägt,
zur Verfügung
gestellt, wie durch Anspruch 1 definiert.
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Die Bezeichnung "ausgedehntes, schmales Gebiet", die hier verwendet
wird, bedeutet eine flächen-artige
Zone. Allgemein gesprochen, das ausgedehnte, schmale Nullfeld-Gebiet
ist in einer Fläche senkrecht
zu einer Lese-Richtung gelegen, in welcher die magnetischen Elemente
in Bezug auf den Lesekopf verschoben werden. Bevorzugt ist das Nullfeld-Gebiet,
eine Erfassungs-Fläche,
kleiner als 50 μm
in der Achse entlang der Lese-Richtung.
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Das Erfassungselement kann ein konventioneller
Magnetkopf sein, z. B. eine Spule, die auf einen Kern gewickelt
ist, oder ein magnetoresistives Element. Die magnetische Einrichtung,
die das statische Magnetfeld mit hohem Gradienten erzeugt, beinhaltet
mindestens zwei mit Zwischenräumen
angeordnete Permanentmagnete. Die Magnete sind in Bezug auf einander orientiert,
so dass ihre Magnetisierungsachsen in einer mit Zwischenräumen parallel angeordneten
Beziehung angeordnet sind.
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Die magnetischen Elemente sind bevorzugt Glas-beschichtete
Mikrodrähte,
welche in einem einstufigen Guß-Prozess
aus einer Legierung hergestellt werden können, die im wesentlichen verschwindende
Magnetostriktion besitzt. Bevorzugt ist die Legierung auf Kobalt-Basis,
enthaltend mehr als 70% Kobalt bezogen auf Atomprozent.
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Die Mikrodrähte haben sehr kleine Durchmesser,
so dass sie in das Dokumenten-Substrat eingebettet werden können ohne
sichtbare Veränderungen
in der Dicke oder Form eines Dokuments hervorzurufen. Die Position
der Mikrodrähte
im Dokument kann nicht durch visuell oder durch Berühren nachgewiesen
werden. Das von den Mikrodrähten
gebildete Codemuster ist dem magnetischen Leser nicht sichtbar,
was der Tatsache zuzuschreiben ist, dass der Mikrodraht ein weichmagnetisches
Material ist und eine sehr niedrige Remanenz zeigt. Die Dichte des
Mikrodraht-Musters ist beträchtlich
höher als
die, welche mit bekannten magnetischen Materialien wie magnetischen
Tinten erreicht wird. Das Codemuster der Mikrodrähte kann mit bekannten Lesern
nicht gelesen werden, beinhaltend die, welche weichmagnetische Materialien
nachweisen können,
weil der Abtastbereich von bekannten Lesern viel größer ist
als die Entfernung zwischen den Stücken des Mikrodrahts in dem
Codemuster der vorliegenden Erfindung. Das Codemuster der Mikrodrähte kann
nur und ausschließlich
von einer bestimmten Lesevorrichtung (Lesekopf) gemäß der vorliegenden
Erfindung gelesen werden. Dadurch erhöht das Codemuster der Mikrodrähte wesentlich
die Dokumenten-Sicherheit.
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Das Codemuster kann direkt auf dem
Gegenstand angebracht werden, oder auf einem separaten Etikett,
welches an dem Gegenstand angebracht ist.
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Gemäß einem anderen Aspekt der
Erfindung wird ein Lesekopf zum Lesen eines intermittierenden Codemusters
zur Verfügung
gestellt, gebildet aus einer Mehrzahl von mit Zwischenräumen angeordneten,
parallelen, verlängerten
magnetischen Elementen, die aus mindestens einem magnetischen Material
hergestellt sind, gemäß Anspruch
B.
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Gemäß noch eines anderen Aspekts
der vorliegenden Erfindung wird eine Methode zur Verfügung gestellt,
um ein Codemuster zu lesen, gebildet durch eine Mehrzahl von mit
Zwischenräumen
angeordneten, parallelen, verlängerten
magnetischen Elementen, die aus mindestens einem magnetischen Material
hergestellt sind, das eine Koerzitivität geringer als 20A/m und eine
Permeabilität
wesentlich höher
als 20000 besitzt, wie in Anspruch 9 definiert.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnung
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Die vorliegende Erfindung kann vollständiger verstanden
werden durch die Beschreibungen von bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung, wie nachfolgend erwähnt, zusammen mit der begleitenden
Zeichnung, in welcher:
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1 eine
schematische Illustration eines Sicherheitssystems gemäß der Erfindung
ist;
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2 die
magnetischen Charakteristiken von magnetischen Elementen grafisch
illustriert, die geeignet sind, in einer Markierung des Systems
von 1 verwendet zu werden;
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3 die
Auslegung der magnetischen Elemente und des Lesekopfes in System
von 1. spezieller illustriert;
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4 die
Prinzipien der Hauptfunktionen des Systems von 1 grafisch illustriert sind;
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5 ein
mögliches
Beispiel der Verwirklichung des Lesekopfes illustriert, der geeignet
ist, um in dem Sicherheitssystem von 1 verwendet
zu werden;
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6 fortgeschrittene
Merkmale der vorliegenden Erfindung verglichen mit einer konventionellen
grafisch illustriert; und
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7 ein
anderes mögliches
Beispiel der Verwirklichung des Lesekopfes illustriert, der geeignet
ist, um in dem Sicherheitssystem von 1 verwendet
zu werden.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Bezug nehmend auf 1, ist hier ein Sicherheitssystem 10 illustriert,
das solche Hauptkonstruktionsteile wie eine magnetischen Markierung oder
ein Codemuster 12 und einen magnetischen Lesekopf 14 besitzt.
Das Codemuster 12 wird durch einen Satz von Glas-beschichteten magnetischen
Mikrodrähten 16 gebildet,
die in einer mit Zwischenräumen
angeordneten, parallelen Beziehung entlang der Oberflächen-Region
von einem Dokument-Substrat D
ausgerichtet sind, bedeckt durch eine verhüllende Schicht 18.
Die Mikrodrähte 16 (Stücke) sind
entweder an dem Dokument (oder Gegenstand) selbst angebracht oder
sind in einem Etikett enthalten, das an dem Gegenstand angebracht
ist. Der Lesekopf 14 weist ein Erfassungselement 20 auf,
dessen Konstruktion und Funktion nachfolgend spezifischer beschrieben
werden. Wenn der Lesekopf 14 das Codemuster 12 der
Mikrodrähte überschreitet,
erzeugt jedes Mikrodrahtstück 16 eine
spezifische Antwort, welche von dem Erfassungselement 20 erfasst
wird.
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In diesem spezifischen Beispiel wird
das Codemuster 12 durch einige 8 mm lange Mikrodrahtstücke 16 mit
unterschiedlichen Zwischenräumen
zwischen ihnen gebildet, nämlich
d1 von 0.2 mm und d2 von
0.5 mm. Allgemein, Sicherheitsinformation (Code) kann in binärer Form
geschrieben werden, beispielsweise indem zwei verschiedene Entfernungen d1 und d2 zwischen
den Mikrodrahtstücken 16 geschaffen
werden. Die kürzere
Entfernung d1 kann als binäre "0" interpretiert werden und die größere Entfernung
d2 als binäre "1 ",
oder umgekehrt. Während der
Lesekopf 14 das Mikrodraht-Muster 12 mit einer konstanten
Geschwindigkeit überschreitet,
entsprechen die Zeitintervalle zwischen den nachgewiesenen Antworten
der Mikrodrähte
genau den Entfernungen zwischen den Mikrodrahtstücken 16.
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Es sollte bemerkt werden, obwohl
es nicht spezifisch gezeigt ist, dass unter Verwendung zweier verschiedener
Arten der Mikrodrahtstücke 16 die
Codeinformation in binärer
Form. geschrieben werden kann. Diese verschiedenen Mikrodrähte können verschiedene
Durchmesser oder Permeabilitäten
besitzen, so dass sie wesentlich verschiedene Antworten auf ein
Magnetfeld erzeugen, das vom Lesekopf 14 erzeugt wird.
Entsprechend kann eine Art Mikrodraht die binäre "0" zeigen
und die andere die binäre "1 ".
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Die Mikrodrähte 16 sind aus der Co-Fe-Si-B-Legierung
hergestellt, die 77,5% Co, 4,5% Fe, 12% Si und 6% B bezogen auf
Atomprozent enthält.
Der äussere
Durchmesser des Mikrodrahts 16 beträgt etwa 20 μm, und der Durchmesser des Metallkerns
beträgt
etwa 15 μm.
Eine gemessene Hysteresekurve H des Mikrodraht-Materials ist in 2 gezeigt. Die Hystereseschleife
L hat einen niedrigen Koerzitivitätswert Hc,
der weniger als 20 A/m (allgemein weniger als 10 A/m) ist und eine
große
Barkhausen Diskontinuität
(d. h., hohe Permeabilitätswerte,
d. h. größer als
20000), und der Wert B der Sättigungsinduktion
ist gleich 0.8 T.
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Allgemein, für die Ziele dieser Erfindung, sind
die Werte der Koerzitivitätskraft
in dem Bereich von 5–10
A/m (0.06–0.12
Oe). In anderen Worten sollte ein Glas-beschichtetes, magnetisches
Mikrodraht-Material, das für
die Herstellung des Codemusters verwendet werden soll, durch kleine
magnetische Koerzitivitäts-
und hohe Permeabilitäts-Werte charakterisiert
sein. Ein solcher Mikrodraht kann aus amorphen Legierungen hergestellt
werden, die annähernd
verschwindende Magnetostriktion haben. Diese Technik ist von den
Erfindern der vorliegenden Erfindung entwickelt worden, und ist
offenbart in dem Artikel "High
Frequency Properties of Glass-coated Microwire", A. N. Antonenko, E. Sorkine, A. Rubshtein,
V. S. Larin and V. Manov, Journal of Applied Physics, Vol. 38, No.
11, 1998, Seiten 6587–6589.
Zu diesem Zweck kann eine Legierung verwendet werden, die 77,5%
Co, 4,5% Fe, 12% Si und 6% B bezogen auf Atomprozent enthält.
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Zurückkehrend zur 1 weist der Lesekopf 14 zwei
oder mehr Permanentmagnete auf – in
dem vorliegenden Beispiel zwei solcher Magnete 22 und 24 (eine
magnetische Einrichtung bildend). Die Magnete 22 und 24 sind
in einer mit Zwischenräumen
angeordneten, parallelen Beziehung angeordnet, und so in Bezug auf
einander orientiert, dass ihre Magnetisierungsrichtungen senkrecht
zu einer Fläche
P stehen (d. h., die Fläche
der Zeichnung). Die Orientierung der Pole des Magnets 22 ist
umgekehrt zu der des Magneten 24. In anderen Worten, die
Achsen der Magnetisierung der Magnete 22 und 24 sind
in einer mit Zwischenräumen
angeordneten, parallelen Beziehung angeordnet. Daher existiert eine
Fläche 26 zwischen
den Magneten 22 und 24, in welcher die Induktion
des summierten (interpoliert) statischen Magnetfeld-Vektors, der
von beiden Magneten erzeugt wird, gleich Null ist. Das Erfassungselement 20,
welches auf die magnetische Mikrodraht-Antwort antwortet, ist in.
einer solchen Position gesichert, dass die Nullfeld-Fläche 26 dort
durchgeht. Es sollte bemerkt werden, dass das Erfassungselement
zwischen den Permanentmagneten untergebracht werden kann und nicht
kann, vorausgesetzt, dass es in der Fläche 26 angebracht
ist.
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3 illustriert
schematisch die Auslegung des Systems 10. Die Permanentmagnete 22 und 24 sind
bevorzugt identisch in Größe und Magnetisierungswert
und sind in einer Linie in einer Weise angeordnet, um das Nullfeld-Gebiet 26 zwischen
den Magneten 22 und 24 zu erzeugen. Das Erfassungselement 20 ist
so untergebracht, dass die Nullfeld-Fläche bevorzugt mit einer Symmetrie-Fläche SP des Erfassungselements 20 zusammenfällt. Die
Konfiguration der magnetischen Feldlinien für beide Magnete ist teilweise
in der Figur gezeigt.
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4 illustriert
die Hauptprinzipien, die Mikrodrähte 16 durch
den Gradienten des Magnetfelds zu, welches von den Permanentmagneten
erzeugt wird lokalisieren (d.h. ihre Anwesenheit nachzuweisen und
ihre Position zu bestimmen). Ein Graph G zeigt die Verteilung
der Intensität
H des statischen Magnetfelds der Permanentmagnete entlang der x-Achse; welche die
Achse ist, entlang derer das Lesen durchgeführt wird (d. h. die Achse der
Bewegung des Lesekopfes in Bezug auf das Muster). In der Nachbarschaft
der Nullfeld-Fläche 26 (3) zeigt die magnetische
Feldintensität
H tatsächlich
eine lineare Funktion der Entfernung relativ zur Fläche 26 entlang
der x-Achse.
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Es ist allgemein bekannt, dass der
Mikrodraht der Art, wie er für
die Ziele der vorliegenden Erfindung ausgewählt wurde, stark anisotropisch
ist und eine merkliche Antwort nur auf ein Magnetfeld zur Verfügung stellt,
dass entlang der Achse des Mikrodrahts gerichtet ist (senkrecht
zur x-Achse). Wie vorstehend angegeben, ist die Hystereschleife
des Mikrodrahts nahezu rechteckig; und daher wird er gesättigt, wann
immer die Intensität
des externen Magnetfelds den Koerzitivitäts-Wert Hc des
Mikrodrahts überschreitet.
Zu diesem Zweck sollten das intermittierende Codemuster 12 und
der Lesekopf 14 während
des Lesevorgangs in Bezug auf einander orientiert sein, so dass
die Mikrodrahtstücke 16 im
wesentlichen parallel zu der Nullfeld-Fläche 26 sind und in einer
Leserichtung senkrecht zu der Fläche 26 bewegt
werden. In dieser Orientierung wird das gegebene Mikrodrahtstück nur von
dem Erfassungselement 20 bemerkt werden, wenn das Mikrodrahtstück 16 innerhalb
des Inneren {x1, x2}
positioniert ist, wo die Intensität des Magnetfelds, das von
den Permanentmagneten erzeugt wird, kleiner als Hc ist.
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Es wird Bezug genommen auf 5, die ein Sicherheitssystem 30 illustriert,
das ein Erfassungselement einer induktiven Art verwendet. Um das
Verständnis
zu erleichtern, werden die gleichen Rerenznummern benutzt, um die
Komponenten zu identifizieren, die in den Systemen 10 und 30 identisch
sind. Daher weist das System 30 einen Lesekopf 14 und ein
auf Mikrodraht basierendes, an dem Gegenstand D angebrachtes Codemuster 12 auf.
Ein induktives Erfassungselement 31 des Lesekopfs 14 hat
die Form einer auf einen Ring-ähnlichen,
aus einem weichmagnetischen Material, z. B. Ferrit, hergestellten
Kern gewickelten Spule 32. Wie gezeigt, bilden mit Zwischenräumen angeordnete
Enden des Kerns 34 einen Luftspalt 36 dazwischen.
Ein Detektor 38 für Induktivitätsänderung
versorgt die Spule 32 mit hochfrequentem Wechselstrom.
Wenn das Mikrodrahtstück 16 des
intermittierenden Codemusters 12 sich dem Luftspalt 36 annähert, verringert
es den magnetischen Widerstand des Spalts, was eine entsprechende Änderung
in der Induktivität
der Spule 32 bewirkt, welche durch den Detektor 38 für Induktivitätsänderung
nachgewiesen wird. Indem der Lesekopf 14 mit dem induktiven
Erfassungselement 31 relativ zu dem Muster 12 bewegt
wird, und durch Analysieren der entsprechenden Induktivitätsänderungen
der Spule 32, kann die Position der Mikrodrahtstücke 16 in
dem Muster 12 nachgewiesen werden.
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Die Spule 32 ist in der
Fläche 26 platziert,
wo die Intensität
des statischen Magnetfeld-Vektors,
der von den Permanentmagneten 22 und 24 erzeugt wird,
nahezu Null ist. Während
der Lesekopf 14 das Mikrodraht-Codemuster 12 überschreitet,
treten die Mikrodrahtstücke 16 sukzessiv
in das starke Magnetfeld ein, das von den Permanentmagneten 22 und 24 erzeugt
wird. Dieses starke Magnetfeld sättigt
die Mikrodrahtstücke,
so dass sie keine Änderung
in der Impedanz der Spule 32 erzeugen, bis das Mikrodrahtstück 16 in
ein sehr schmales Gebiet eintritt, wo die magnetische Feldintensität zwischen
(–Hc) und (Hc) liegt.
Nur in diesem schmalen Gebiet (etwa 50 μm) wird das Mikrodrahtstück 16 eine
Antwort erzeugen, und die Impedanz der Spule 32 wird so
beeinflusst werden (d. h. verringert), um von dem Detektor 38 nachgewiesen
zu werden. Das Ausgangssignal des Detektors 38 für Induktionsänderung
kann die Form von hochfrequenter Wechselspannung mit variabler Amplitude
proportional zur Induktivität
der Spule 32 haben. Wie weiterhin in 5 gezeigt, ist eine Formungsschaltung 40 für die Wellenform
mit dem Detektor 38 verbunden, die das Hochfrequenzsignal
in ein Niedrigfrequenzsignal proportional der Amplitude des Hochfrequenzsignals
umformt. Dieses Niedrigfrequenzsignal wird zu einem Analog-Digital-Wandler 42 übertragen,
und das digitale Ausgangssignal wird durch eine Prozessoreinheit 44 weiterbearbeitet.
Die Ergebnisse der Code-Analyse können auf einem Display 46 gezeigt
werden oder an einen externen Computer geliefert werden (nicht gezeigt).
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In diesem spezifischen Beispiel weist
der Lesekopf 14 zwei identische FeNdB-Permanentmagnete 22 und 24 auf,
jeder mit einer Länge
von 3 mm, einer Höhe
von 1 mm und einer Breite von 2 mm. Die Magnete haben die Remanenz-Induktion
von 1.2 T. Die Entfernung a zwischen den Magneten beträgt 4 mm.
Die Induktivitätsspule 32 wird.
hergestellt, indem 500 Windungen eines 0.05 mm Kupferkabels auf
einen 3F3 Phillips Ferrit Ringkern gewickelt werden, der einen Aussendurchmesser
von 6 mm, einen Innendurchmesser von 4 mm und eine Breite von 2
mm besitzt. Der 1 mm Luftspalt 36 ist zwischen den Enden
des Kerns hergestellt. Die Spule 32 wird mit einer 100
kHz, 3 V Wechselspannung versorgt.
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Es ist ein wichtiges Merkmal der
vorliegenden Erfindung, dass der Lesekopf es erlaubt, das aus Glas-beschichteten
Mikrodrähten
gebildete Codemuster 12 bei einer beträchtlichen Entfernung zwischen
dem Lesekopf 14 und dem Codemuster 12 zu lesen.
Das beruht auf der Tatsache, dass das Gebiet mit im wesentlichen
Nullfeld sich über
die Fläche
zwischen den Magneten ausdehnt, anstatt ein schmales Gebiet innerhalb
eines physikalischen Spalts zwischen den Magneten zu sein. Das zu
lesende Codemuster 12 muss nicht durch den Spalt zwischen
den Magneten bewegt werden, sondern wird ausserhalb dieses Spalts
in Bezug auf den Lesekopf verschoben. Die Auflösung von Antworten, die von
den benachbarten Mikrodrahtstücken 16 kommen,
hängt nicht
wesentlich von der Entfernung zwischen dem Lesekopf 14 und
dem Codemuster 12 ab. Das Codemuster 12 wird zuverlässig gelesen,
wenn diese Entfernung von 0.05 bis 1 mm variiert, wie es spezifischer
nachfolgend beschrieben wird.
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Um die prinzipiell unterschiedliche
Leistung des auf Impedanzänderungen
basierenden Lesekopfs 14 unter Verwendung der Permanentmagnete 22 und 24 klarer
zu demonstrieren, lassen sie uns den Betrieb dieses Lesekopfs mit
einem Lesekopf (nicht gezeigt) vergleichen, der die Spule 32 und
keine Permanentmagnete hat, beide auf das gleiche Codemuster angewendet,
das auf Glas-beschichteten Mikrodrähten basiert. Wie vorstehend
angegeben, erzeugt die Bereitstellung der Permanentmagnete das Nullfeld-Gebiet,
das von den Mikrodrahtstücken passiert
werden soll. Daher ist das, was wir wirklich vergleichen, der Betrieb
des Lesekopfes in der Anwesenheit und in der Abwesenheit des Null-durchgehenden Feldes,
das von den Permanentmagneten 22 und 24 erzeugt
wird. 6 zeigt den Gegenstand D
mit dem Codemuster 12, und illustriert grafisch die Hauptprinzipien
des Betriebs des Systems 30. Zwei Graphen G1 und G2 zeigen
das Ausgangssignal Uout der Formungsschaltung 40 für die Wellenform (5), beide gemessen am Ort
der Spule nahe dem Muster (z. B. etwa 30 μm). Graph G1 entspricht
dem Signal, das aufgezeichnet wird, während der Lesekopf nur mit
der Spule 32 (d. h. er hat keine Permanentmagnete) das
Codemuster der Mikrodrähte 12 überschreitet.
Graph G2 entspricht dem Signal,
das aufgezeichnet wird, während
der Lesekopf 14 (mit der Spule 32 und den Permanentmagneten 22 und 24)
das Muster 12 überschreitet.
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Durch Graph G1 ist
klar, dass die Sensor-Auflösung
unzureichend für
das Lesen des Musters ist, wenn der Lesekopf verwendet wird, der
keine Permanentmagnete hat (d. h. kein Nullfeld-Gebiet hat). Versuche haben gezeigt,
dass es unmöglich
wird, die Antwort der Mikrodrähte
aus dem Ausgangssignal des Sensors nachzuweisen, wenn die Entfernung zwischen
Luftspalt und den Mikrodrahtstücken
auf 0.3 mm und mehr ansteigt. Wenn im Gegensatz dazu der Lesekopf 14 verwendet
wird, der wie vorstehend beschrieben konstruiert ist (d. h. mit
den Permanentmagneten 22 und 24), werden scharfe
Spitzen im Ausgangssignal des Sensors nachgewiesen (Graph G2), wobei jede scharfe Spitze jeder Position
eines Mikrodrahtes in dem abgetasteten Codemuster 12 entspricht.
Wenn der Lesekopf auf eine Entfernung von 0.5 mm von dem Muster
weg bewegt wird, verringert sich die Amplitude des Ausgangssignals
um 30%, während
die Form der Spitzen unverändert bleibt.
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Die vorstehende Leistung des Lesekopfes 14 kann
leicht in Begriffen der vorstehenden Überlegungen verstanden werden,
wenn die Antwort des Mikrodrahts in der Nachbarschaft der Nullfeld-Fläche 26 betrachtet
wird. Tatsächlich
ist der gemessene Feldgradient der Lesekopf-Sonde 14 in
der Nullfeld-Fläche
nahezu 40 Oe/mm, wobei der Koerzitivitäts-Wert Hc des
Mikrodrahtstücks
weniger als 0.2 Oe ist. Das bedeutet, dass die Mikrodrahtstücke 16 nur dann
nicht gesättigt
werden, wenn sie in einer Entfernung von 5 μm oder weniger von der Nullfeld-Fläche 26 angeordnet
sind, das heisst die Auflösung
der Lesekopf-Sonde beträgt
etwa 10 μm.
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Es wird nun Bezug genommen auf 7, die durch den Weg eines
Blockdiagramms ein Sicherheitssystem 50 illustriert, welches
allgemein ähnlich wie
das vorstehend beschriebene System 30 konstruiert ist,
aber einen etwas anderen Aufbau seines Erfassungselements 52 hat,
welches von einer magnetoresistiven Art ist. Ähnlich sind die Komponenten, welche
die Systeme 30 und 50 gemein haben, durch die
gleichen Referenznummern identifiziert. Die Ausgangsschaltung des
Magnetoresistor-Elements 52 ist an einen Detektor 54 für Widerstandsänderungen
angeschlossen, welcher, wenn nötig,
abwechselnd an die Formungsschaltung 40 für die Wellenform
angeschlossen werden kann. Das Ausgangssignal der Schaltung 40 wird
dann zum Beispiel durch eine angefertigte LSI Einheit 56 verarbeitet
und die Ergebnisse der Codeanalyse können auf dem Display 46 gezeigt
werden.
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Wenn der Lesekopf 14 sich
in Bezug auf das intermittierende Codemuster 12 bewegt,
verursacht der Gradient des Magnetfelds, das von den Permanentmagneten 22 und 24 erzeugt
wird, eine Remagnetisierung jedes Mikrodrahtstückes 16 nach dessen Durchgang
durch die Nullfeld-Fläche 26.
In der Technik ist allgemein bekannt, dass die Remagnetisierung von
Mikrodraht, der große
Barkhausen Diskontinuität besitzt,
d. h. wie die, welche für
die Ziele der vorliegenden Erfindung benötigt werden, in einer Zeitperiode
von Mikrosekunden auftritt, was einen scharfen Magnetfeld-Puls erzeugt.
Das Magnetoresistor-Element 52 ist in der Nullfeld-Fläche 26 gesichert,
und konsequenterweise nicht durch das permanente Magnetfeld betroffen,
das von den Permanentmagneten 22 und 24 erzeugt
wird. Die Störungen
des Magnetfelds, die durch die Magnetisierungs-Umkehr der Mikrodrahtstücke 16 verursacht
werden, werden im Gegensatz dazu durch das Magnetoresistor-Element 52 erfasst
und dann durch den Detektor 54 für Widerstandsänderungen
nachgewiesen.
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Fachleute werden sofort zustimmen,
dass vielfältige
Modifikationen und Änderungen
auf die bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung, wie hiervor beispielhaft beschrieben, angewendet
werden können,
ohne den Schutzumfang zu verlassen, wie er in den angefügten Ansprüchen definiert
wird.