CN100447911C - 软磁材料偏置片的制造方法及使用该偏置片的防盗声磁标签 - Google Patents

软磁材料偏置片的制造方法及使用该偏置片的防盗声磁标签 Download PDF

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Abstract

软磁材料偏置片的制造方法及使用该偏置片的防盗声磁标签，将软磁材料只经过变形量大于百分之八十冷轧后使其直流矫顽力仍小于12.5奥斯特，然后切割成所需偏置片的尺寸；采用该方法制造的防盗声磁标签，包括狭长的盒体、磁性偏置片，盒体的空腔内设有的共振片，盒体上盖有由双面胶和盖膜组成的盒盖，所述的盖膜、磁性偏置片和共振片呈层状排列，磁性偏置片为软磁材料偏置片，共振片为平直的片状结构，共振片至少为一片。本发明方法工艺简单、取材方便，用软磁材料制造的偏置片防盗声磁标签结构简单、成本低、加工方便、共振频率稳定，更易消磁解码。

Description

软磁材料偏置片的制造方法及使用该偏置片的防盗声磁标签
技术领域
本发明涉及一种商用防盗保护报警装置，尤其是涉及一种软磁材料偏置片的制造方法及使用该偏置片的防盗声磁标签。
背景技术
声磁技术已经被广泛用于电子物件监视防盗装置达二十多年，记载原创发明的美国专利US4510489公开了某些非晶合金材料薄带因具有很高磁性-弹性偶合系数故而可以发出强共振信号，并利用该原理将这些材料成功地应用于商业防盗系统(声磁系统)，如大型超市的防盗系统。声磁系统主要包括探测器、解码器及检验器、防盗声磁靶等，现在商业上广泛使用的探测器是由美国Sensormatic电子公司(Sensormatic Electronics Corporation)制造的U1tramax探测器。该探测器能发射58kHz脉冲波，用于激发在探测区域里的未解码(激活态)的防盗声磁靶使其在58kHz共振而产生很强的信号而被探测线圈所接受，经信号放大分析后触发报警。解码就是将防盗声磁靶中的偏置片退磁而将共振频率移出探测频段窗口同时显著降低了共振信号强度，而不触发报警器。防盗声磁靶可分为两种：防盗声磁硬靶及防盗声磁标签(以下简称声磁标签)。前者使用非晶带作为共振片，采用永磁材料(例如永磁铁氧体)作为偏置片。此类防盗靶不能解码，只能在商店里边重复使用，付了款的商品上的防盗声磁硬靶通过打开机械针锁装置取下防盗声磁硬靶的方法让商品离开商店而不触发门口报警器；后者也采用非晶带作为共振片，一直都采用“半硬磁”材料作为偏置片，这类声磁标签可以反复解码及激活。付了款的商品上的声磁标签通过在解码器上退磁解码的方法让商品离开商店而不触发门口报警器。偏置片是声磁标签中的关键部件，决定声磁标签的共振频率使探测系统能清楚地分辩出声磁标签的激活态及非激活态(被解码态)，并极大地影响着防盗标签的性能和价格。因此，国际上对偏置片材料的研发一直在进行，继美国专利US4510489后又陆续有一些新的涉及偏置片材料的成分及加工方法专利公开，例如美国专利US4536229，US5351033，US5716460，US5729200，US6001194，US6181245，US6689490，US6893511等。
依据David Jiles著的“磁学及磁性材料”(启普曼与霍尔出版社)一书(David Jiles：“Introduction to Magnetism and MagneticMaterials”Published by Chapman & Hall)第269-270页，对磁性材料的划分：直流矫顽力大于10000A/m(125奥斯特)的为硬磁材料，直流矫顽力小于1000A/m(12.5奥斯特)的为软磁材料，而“半硬磁”材料的直流矫顽力则介于软磁材料及硬磁材料之间。由于永磁材料通常是脆性的，很难冷加工，不适于制造薄带(例如大约0.05毫米厚)偏置片；而采用软磁材料制造偏置片又担心因其直流矫顽力较小，所制成的声磁标签会被探测器所发射的反向脉冲磁场本身就可能将激活态声磁标签的偏置片退磁导致自我解码，因此为了防止此类现象的发生，以往的科研人员一直认为必须使用直流矫顽力大于12.5奥斯特的半硬磁材料制作偏置片(例如参见美国专利US6689490第1列第45-47行)。所以以往所有对偏置片研发及相关的专利一直局限在半硬磁材料的范围内。
半硬磁材料是一种以塑性材料为基体，带有至少一种以上硬磁性相的磁性材料。在加工过程中为了得到一塑性基体相，磁性材料在冷轧后必须用低温热处理的方法来控制硬磁性的析出量及分布形态来达到所需的直流矫顽力及直流剩磁。由于热处理温度不高(如低于650℃)又需停留很长的时间，而且直流矫顽力对微小的热处理温度波动又十分敏感。因此大批量生产矫顽力一致的半硬磁材料时，对热处理炉的大容量及温度一致性的要求是极其严格的。而事实上每批半硬磁材料的直流矫顽力及直流剩磁要做到波动非常小是很困难的，因炉膛各处很小的温差就可能造成直流矫顽力的大变化，这就造成半硬磁材料成品率低，成本高。
现有的声磁标签(参见美国专利US6359563)如图3、4所示，包括一个狭长的塑料盒体和盖于其上的盒盖，盒盖自上而下依次由盖膜、双面胶、半硬磁材料的偏置片和盖膜叠加而成，盒体的空腔内放置一片或一片以上大小与盒体相匹配的相互叠加的共振片，共振片的横向成弓形，其中偏置片为平行四边形或去角的平行四边形。现有的声磁标签均采用半硬磁材料制造偏置片，由于半硬磁材料生产工艺复杂，价格昂贵，且不易获得，导致用半硬磁材料制造偏置片成本高；而且由于半硬磁材料直流矫顽力高(例如现在市场上声磁标签实际使用的半硬磁偏置片的直流矫顽力都大于20奥斯特)，直流剩磁高(＞14kG)，半硬磁材料的偏置片会不可避免地对共振片产生较强的“夹持”作用从而降低共振片的共振幅度(信号强度)。因此过去的声磁标签不得不采用一些的补救技术措施来降低这种对共振幅度的阻尼作用，如将偏置片设计成复杂的去角的平行四边形，将共振片做成沿宽度方向弯曲的弓形，将半硬磁偏置片放在共振空腔外面并增加声磁标签的厚度以增加共振片与偏置片的距离等等。尤其是半硬磁偏置片必需在空腔外固定，需要将很薄的片材精确定位后多重封合，使制造工艺复杂。这不仅增加片材加工难度，而且不平的共振片容易受微小压力而改变共振频率。49Ni-Fe软磁成功地成为声磁标签偏置片的事实也推翻了过去一直存在的观念即偏置片的剩磁应该很高以在很薄的带状(如0.05毫米)达到所需的磁通量。表1中所列的过去所用的半硬磁偏置材料除直流矫顽力高于软磁材料的外，其直流剩磁也是很高(12-18kG)。然而，49Ni-Fe的剩磁只有不到7kG，同样的厚度(如0.05mm)其磁通量仅为现在所用半硬磁偏置材料的一半，但实测结果表明：用49Ni-Fe作偏置片的声磁标签仍然能够正常地被商业上可获得的Ultramax装置探测到。表明高直流剩磁的要求是不必要的，反而造成更大的对共振片的“夹持”作用而产生过大的对共振的阻尼作用。软磁偏置片的“夹持”作用极低，故无需上述各种复杂的补救措施。
以往偏置片研发的思路之所以始终不能脱离半硬磁材料的老框框(参见表1)。其原因是混淆了或者是没有意识到“直流矫顽力”与“交流矫顽力”的概念。以前声磁标签的生产商及所有有关偏置片材料的专利中所指的“矫顽力”均为直流矫顽力。在特定的58kHz具特定波形高频声磁防盗探测磁场时的表征(交流)矫顽力才是真正考验偏置薄带(特定材料及厚度)稳定性的特定技术指标，而不应只采用具普遍意义的“直流矫顽力”来衡量侯选偏置薄带材料在特定的声磁防盗系统里的稳定性从而看不到用软磁偏置片也可作稳定的声磁标签这一特定产品。现在声磁标签的偏置材料所用的测试、文献报导等等均是通常意义上的“直流矫顽力”(即测试加反向直流磁场时需要多高的磁场强度才能将材料的磁感应强度降低到零)不能准确地反映偏置材料在58kHz声磁防盗系统里探测场时的特定性能。他们忽视了一个已经熟知的物理现象即一些软磁材料的交流矫顽力随频率增高而增加例如，参见：F.Marthouret等，“非线性导体磁路模型”《电气与电子工程师协会会刊，磁学分册》31卷，第6期4065至4070页，1995年11月[F.Marthouret，et al，“Modeling of a Non-linear conductivemagnetic circuit”IEEE Transactions on Magnetics，vol 31，No.6pp4065-4070(November 1995)]；D.C.Jiles，“导体磁性材料磁滞迴线对频率的依赖性”应用物理杂志76卷第10期第5849至5855页，[D.C.Jiles，“Frequency dependence of hysterisis curves in conducting magneticmaterials”，J.Applied Physics，76(10)，PP5849-5855(November1994)]；Jan Szczyglowski，“涡流对软磁材料磁滞迴线的影响”磁学与磁性材料杂志，223期，第97至102页，2001年，[Jan Szczyglowski，“Influence of eddy currents on magnetic hysterisis loops in softmagnetic materials”J.Magnetism and Magnetic Materials”223(2001)pp97-102]。本发明测试了49Ni-Fe 0.05毫米的软磁偏置片在频率逐步升高到58kHz时的交流矫顽力的变化，可以看出58kHz时的交流矫顽力已经比直流矫顽力至少提高了60％，达到13-16奥斯特(尽管直流矫顽力只有不到8.5奥斯特)，见图1。
发明内容
本发明的主要目的之一是克服上述现有技术的不足，走出软磁材料不适合制造声磁标签的偏置片这一误区，提供一种工艺简单、加工方便、用软磁材料制造的声磁标签偏置片的方法。
本发明的另一个主要目的是克服上述现有技术的不足，提供一种结构简单、成本低、加工方便、共振频率稳定采用上述方法制造的软磁材料偏置片的防盗声磁标签。
本发明的目的主要是通过下述技术方案来实现的：
一种软磁材料偏置片的制造方法，将软磁材料只经过变形量大于百分之八十冷轧后使其直流矫顽力仍小于12.5奥斯特，而不施行任何热处理，然后切割成所需偏置片的尺寸；
作为优选，所述的磁性材料只经过冷轧，使其变形量大于百分之九十，而不施行任何热处理，然后切割成所需偏置片的尺寸；
作为优选，所述的磁性材料为具有塑性的铁基或者镍基软磁合金薄带，例如SPCC软磁薄带，1008低碳钢薄带，49Ni-Fe，50.5Ni-Fe软磁合金薄带。
一种使用上述方法制造的软磁材料偏置片的防盗声磁标签，包括狭长的盒体、磁性偏置片，盒体的空腔内设有的共振片，盒体上盖有由双面胶和盖膜组成的盒盖，所述的盖膜、磁性偏置片和共振片呈层状排列，所述的磁性偏置片为软磁材料偏置片(简称软磁偏置片)，所述的共振片为平直的片状结构，所述的共振片至少为一片，最好为两片；
作为优选，所述的软磁偏置片可设置在盒体的空腔外；
作为优选，所述的软磁偏置片可设置在盒体的空腔内，软磁偏置片位于共振片的上方；
作为优选，所述的软磁偏置片设置在盒体的空腔内，软磁偏置片位于共振片的下方；
作为优选，所述的软磁偏置片设在盒盖的下方，所述的软磁偏置片与共振片之间设有盖膜；
作为优选，所述的软磁偏置片为矩形。
因此，本发明与现有的技术相比具有以下特点：
1、本发明克服了对软磁材料不适合制造偏置片的技术偏见，正确地认识了软磁材料在高频磁场下的特殊性质，证实了声磁探测系统的高频探测磁场(58kHz)可以使用低直流矫顽力的软磁材料作偏置片的实际应用，而不必担心被58kHz高频探测器的反向脉冲磁场退磁而导致声磁标签的失效，极大地拓展了可用作偏置片磁性材料的范围；
2、本发明软磁材料制造的偏置片的方法，工艺简单、加工方便，软磁材料经大变形量冷轧后，无须经任何热处理即可达到具有很好的直流矫顽力及剩磁的一致性的偏置片的材料，直接可切割成偏置片；
3、软磁偏置片在58kHz探测场中具很好的稳定性，不仅适用于现有的解码器解码，同时具有更优越的解码性能和解码效果，而且显著地提高了解码距离，大大地增加了商品解码的可靠性。
4、本发明的偏置片由于采用软磁材料制造，使得对共振片“夹持”作用可降低到不影响共振强度的程度，因而共振片可采用简单的平直矩形结构，制造声磁标签时可直接将共振片和软磁偏置片一次性封合在盒体空腔内，使得声磁标签的结构简单，厚度减小，共振频率更稳定，制造工艺大大简化。特别是软磁偏置片可采用简单地与共振片一起放入盒体空腔内而无须固定位置的制造方法，降低了为固定偏置片(如快速精确定位装置，粘贴，多种复合)而需要制造成本，对每年不断增长的几十亿个声磁标签的市场需求来说，经济效益巨大。
5、本发明的软磁偏置片以其低场的特性可使用不含Co的共振片，并使其性能更佳，从而降低共振片的成本。而不含Co的共振片如Fe4ONi38Mo4B18非晶合金所需的偏置场较低。过去普遍认为需低偏置场达到最大共振幅度的共振片(即有较大Hz/Oe变化率)不稳定，因此被认为不是好的产品。然而，却没有认识到大的Hz/Oe可提高声磁标签的报警率。本发明的声磁标签因用软磁偏置片后受微小的地磁场(小于0.5Oe)的进一步偏置的影响变大，使得本发明声磁标签的共振频率在通过探测区域时能够有较宽的频率变化范围而更容易落入探测频段(如57.5-58.5kHz)内。这是因为声磁标签在通过探测区的运行时对地磁场的矢量方向随时在改变，因此相等于在做共振频率的随机微调扫描。
附图说明
附图1是本发明的49Ni-Fe软磁偏置片在不同频率下，交流矫顽力与直流矫顽力关系示意图；
附图2是本发明的采用49Ni-Fe软磁偏置片加上Fe4ONi38Mo4B18非晶合金共振片的频谱图。；
附图3是现有的声磁标签爆炸图；
附图4是现有的声磁标签横截面图；
附图5是本发明的实施例2的结构示意图；
附图6是本发明实施例2的截面图；
附图7是本发明的实施例3的结构示意图；
附图8是本发明的实施例3的截面图；
附图9是本发明的实施例4的截面图。
图中，软磁偏置片1、共振片2、盒体3、盖膜4、盒盖5、空腔6、双面胶7、半硬磁偏置片8。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例1：
将宽100毫米，厚0.5毫米的49Ni-Fe软磁材料厚材盘卷(可在市场上购得)，用4辊轧机直接冷轧成0.05毫米厚的带材盘卷(使其变形量大于百分之八十)，使其直流矫顽力仍小于12.5奥斯特，然后将冷轧后的带材纵剪成7毫米宽的盘卷，再将盘卷用高速剪切机剪成一段段32-35毫米长49Ni-Fe软磁偏置片，，而无须在0.05毫米的带厚时施行任何热处理。图1表明本实施例49Ni-Fe软磁偏置片在不同频率下的交流矫顽力变化。由图1中可以看出交流矫顽力明显高于直流矫顽力，并可以看出58kHz时的交流矫顽力已经比直流矫顽力至少提高了60％，达到13-16奥斯特(尽管直流矫顽力只有不到8.5奥斯特)，因此足以保证软磁材料的偏置片不会被58kHz高频探测器的反向脉冲磁场退磁而导致声磁标签自我解码，而且直流矫顽力及剩磁波动范围小，声磁标签的一致性好。
图2.是采用49Ni-Fe软磁偏置片加上Fe4ONi38Mo4B18非晶合金共振片(美国专利US4510489中公开的共振片材料)的频谱图。该图显示出磁弹性共振峰(向上顶峰)与反共振峰(向下波谷)，表明用软磁材料做偏置片制成声磁标签完全可以将共振频率控制在58kHz左右(声磁标签的激活态)。
采用现有的Sensormatic公司窄型解码器，将处于激活态的标签平行排于解码器表面一定距离放置，将解码场激发后，用现有的Sensormatic公司的声磁标签检验器(double checker)来进行测试，将现在市场上大量使用的用半硬磁材料作为偏置片DR声磁标签与本发明的49Ni-Fe软磁材料作为偏置片的声磁标签解码(退磁)效果进行比较，本发明用5000个实际制造的采用49Ni-Fe软磁薄带作为偏置片的声磁标签进行测试的结果表明，其探测距离与DR标签性能相近，然而解码性能则大大提高(见表2)，本发明的软磁偏置片的声磁标签可将目前DR声磁标签解码距离从15厘米显著地提高到24厘米，使得贴有声磁标签大件物品及整盒商品解码的可靠性大大增加。
实施例2：
如图5、图6所示，一种采用软磁偏置片的防盗声磁标签，包括一个长方体形状的盒体3，盒体3由0.3毫米PVC(聚氯乙烯)等塑料薄膜制成，盒体3的空腔6的内平放有一片软磁偏置片1，空腔6的形状为长方体形，软磁偏置片1的形状为平直的矩形(参见附图5)，软磁偏置片1采用49Ni-Fe(铁镍合金)制成。软磁偏置片1的上方放置有两片共振片2，两片共振片2的形状和大小基本相同，均为平直的矩形，且共振片2的形状与空腔6的水平截面相匹配(参见附图6)，软磁偏置片1的平面面积最好小于盒体3的空腔6的平面的面积，以便为共振片2提供共振空间。表3表示软磁偏置片在盒体空腔里的位置对报警性能的影响，通过对两组49Ni-Fe 32×7×0.5毫米薄片的样品，样品A和样品B在声磁标签检测器检测范围内的检测，检测结果表明软磁偏置片在盒体空腔里的位置对报警性能的影响是很小的，因此本发明对软磁偏置片盒体空腔里的位置和尺寸无特殊的要求。盒体3的顶面盖有盒盖5，盒盖5由双面胶7和盖膜4组成，双面胶7设于盖膜4的下表面，盖膜4是一片平直的矩形，其大小比盒体3的水平截面稍大。
实施例3：
盒体3的空腔6的内平放有两片共振片2，共振片2的上方放置有一片软磁偏置片1(参见附图9)，其余部分与实施例2相同。
实施例4：
盒体3的空腔6的底面平放有两片共振片2，盒体3的顶面设有一片盖膜4，软磁偏置片1置于盖膜4的上表面(参见附图7)，软磁偏置片1的上方设有盒盖5，盒盖5和盖膜4叠合在一起把软磁偏置片1夹于两者之间(参见附图8)；其余部分于实施例2相同。
表1，各种用于做声磁标签磁性偏置片材料的对比表
  商业名称 成分范围   直流矫顽力(奥斯特)   涉及的专利   最终厚度时是否热处理   是否为半硬磁材料
  SensorvacSemiVac90MagneDur20-4AnokromeIIIAnokromeIVVicalloyCrovac10-130SPCC钢<sup>＊</sup>1008钢<sup>＊</sup>49Ni-Fe<sup>＊</sup> FeNiAlTiFeCrCoNiMoFe-Mn(6-12％)Fe-Ni20-Mo(4-6％)Fe-Cu(3-35％)晶化的非晶带Fe-Cr(26-30％)-Co(7-10％)Fe-Cr(1-12％)-CxFeCoVFeCrCoFe-C(＜0.12％)钢低碳软磁钢Fe-Ni(40-60％)+M＊＊(0-5％)   18.8-32.550-125＞21＞21＞5050-30020-50＞50＞5010(＜12.5)9(＜12.5)8.5(＜12.5)   美国专利6,689,490美国专利5,716,460美国专利4,536,229美国专利6,001,194美国专利5,351,033本发明本发明本发明   需要需要需要需要需要需要需要需要需要需要不需要不需要不需要   是是是是是是是是是是否否否
注：1.*：例子为0.05-0.10毫米冷轧薄带
2.**：M：指除Fe，Ni以外的金属
3.成分及性能源于供货商产品目录或所列的专利
表2，现有的半硬磁材料作为偏置片DR声磁标签与本发明的49Ni-Fe软磁材料作为偏置片的声磁标签解码(退磁)效果比较
Figure C20061005201200131
注：1.所有的距离为厘米
2.解码器：Sensormatic公司窄型解码器
3.声磁标签检验器：Sensormatic公司的double checker
4.DR声磁标签：半硬磁偏置片(+FeNiCoSiB共振片)
5.本发明声磁标签：49Ni-Fe软磁偏置片(+FeNiMoB共振片)
表3，软磁偏置片(49Ni-Fe 32×7×0.5毫米薄片)在盒体空腔里的位置对报警的影响
Figure C20061005201200141
注：检测时按声磁标签的方向垂直于声磁标签检测器表面，然后倒置声磁标签的方向测得两个报警距离，共振片为FeNiMoB。

Claims (9)

1、一种软磁材料偏置片的制造方法，其特征是：将具有塑性的铁基或镍基软磁合金薄带只经过变形量大于百分之八十冷轧后使其直流矫顽力仍小于12.5奥斯特，然后切割成所需偏置片的尺寸。
2、根据权利要求1所述的软磁材料偏置片的制造方法，其特征在于所述的变形量大于百分之九十。
3、一种使用根据权利要求1方法制造的软磁材料偏置片的防盗声磁标签，包括狭长的盒体、磁性偏置片，盒体的空腔内设有的共振片，盒体上盖有由双面胶和盖膜组成的盒盖，所述的盖膜、磁性偏置片和共振片呈层状排列，其特征在于：所述的磁性偏置片为根据权利要求1方法制造的软磁材料偏置片，所述的共振片为平直的片状结构，所述的共振片至少为一片。
4.根据权利要求3所述的防盗声磁标签，其特征在于：所述的软磁材料偏置片设置在盒体的空腔外。
5.根据权利要求3所述的防盗声磁标签，其特征在于：所述的软磁材料偏置片设置在盒体的空腔内，软磁材料偏置片位于共振片的上方。
6.根据权利要求3所述的防盗声磁标签，其特征在于：所述的软磁材料偏置片设置在盒体的空腔内，软磁材料偏置片位于共振片的下方。
7.根据权利要求3或4所述的防盗声磁标签，其特征在于：所述的软磁材料偏置片设在盒盖的下方，所述的软磁材料偏置片与共振片之间设有盖膜。
8.根据权利要求3或4或5或6所述的防盗声磁标签，其特征在于：所述的软磁材料偏置片和共振片为矩形。
9.根据权利要求7所述的防盗声磁标签，其特征在于：所述的软磁材料偏置片和共振片为矩形。
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