ES2317769B1 - Etiqueta magnetoacustica basada en micro-hilo magnetico, y metodo de obtencion de la misma. - Google Patents
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Abstract
Etiqueta magnetoacústica basada en
micro-hilo magnético, y método de obtención de la
misma.
Se trata de una etiqueta magnetomecánica
activable/de-
sactivable, basada en micro-hilos magnéticos, en la que participa un micro-hilo magnético blando (1), magnetoelástico, no biestable, con anisotropía magnética transversal inducida y con frecuencia de resonancia magnetoelástica de 58 KHz, y un segundo micro-hilo magnético (2) duro, consiguiéndose de esta manera una notable disminución en el tamaño de la etiqueta.
sactivable, basada en micro-hilos magnéticos, en la que participa un micro-hilo magnético blando (1), magnetoelástico, no biestable, con anisotropía magnética transversal inducida y con frecuencia de resonancia magnetoelástica de 58 KHz, y un segundo micro-hilo magnético (2) duro, consiguiéndose de esta manera una notable disminución en el tamaño de la etiqueta.
El procedimiento de obtención de la misma
consiste primeramente en obtener un micro-hilo
magnético blando con comportamiento magnético no biestable, al que
se somete a un tratamiento térmico en presencia de campo magnético
transversal suficiente para saturar la muestra a temperatura
inferior a la de cristalización de la aleación amorfa, cortar dicho
hilo magnético a la longitud adecuada para que su resonancia
magnetoelástica coincida con la del equipo detector, y finalmente
obtener un micro-hilo magnético duro (2) que junto
con el blando se montan sobre el soporte mecánico (3) de la
etiqueta.
Description
Etiqueta magnetoacústica basada en
micro-hilo magnético, y método de obtención de la
misma.
La presente invención se refiere a una etiqueta
magnética activable/desactivable, para vigilancia electrónica de
artículos, basada en la resonancia magnetoelástica de
micro-hilos magnéticos. La etiqueta magnética que
la invención propone es utilizable en sistemas para la detección
electrónica de artículos, y está basada en
micro-hilos magnéticos obtenidos por la técnica de
"Taylor".
La invención se encuadra dentro del campo
técnico de los materiales magnéticos, cubriendo también aspectos de
electromagnetismo, de aplicación en el ámbito de sensores y
detectores y en el de la metalurgia.
Es conocida la técnica de Taylor para la
fabricación de micro-hilos, que permite la
obtención de micro-hilos con diámetros muy pequeños,
comprendidos entre una y varias decenas de micras, a través de un
proceso simple. Los micro-hilos así obtenidos se
pueden hacer a partir de una gran variedad de aleaciones y metales
magnéticos y no magnéticos. Esta técnica está descrita, por ejemplo,
en el artículo "The Preparation, Properties and Applications
of Some Glass Coated Metal Filaments Prepared by the
Taylor-Wire Process" W. Donald et al.,
Journal of Material Science, 31, 1996, pp
1139-1148.
La característica más importante del método o
técnica de Taylor es que permite obtener metales y aleaciones en la
forma de micro-hilo con cubierta aislante en una
operación única y simple con la economía que esto conlleva en el
proceso de fabricación.
La técnica para la obtención de
micro-hilos magnéticos con cubierta aislante y
microestructura amorfa se describe, por ejemplo, en el artículo
"Magnetic Properties of Amorphous Fe_P Alloys Containing Ga, Ge
y As" H. Wiesner and J. Schneider, Stat. Sol. (a) 26, 71
(1974), Phys. Stat. Sol. (a) 26, 71 (1974).
Las propiedades del micro-hilo
amorfo magnético con cubierta aislante, relacionadas con el objeto
del presente invención, se describen en el artículo "Amorphous
glass-covered magnetic wires: preparation,
properties, applications", H. Chiriac, T A Óvári 1997 In:
Progress in Materials Science. Elsevier Science Ltd. Great
Britain, Vol. 40, pp. 333-407.
Las aleaciones utilizadas para la fabricación
del núcleo del micro-hilo son del tipo metal de
transición metaloide, y presentan microestructura amorfa. La
influencia de la geometría del micro-hilo en su
comportamiento magnético se debe al carácter magnetoelástico de las
aleaciones utilizadas que a su vez depende de la constante de
magnetostricción de las mismas.
Los sistemas para la detección de artículos
basados en materiales magnéticos son bien conocidos. La patente de
Picard (patente francesa FR- 763.681) muestra el primer dispositivo
de este tipo. El dispositivo descrito se basa en la utilización de
una cinta de material magnético blando del tipo del Permalloy que
sometida a un campo magnético alterno induce armónicos en un
detector claramente diferentes a los procedentes de otro tipo de
metales.
Desde que Picard presentó su patente se han
hecho grandes esfuerzos por mejorar las etiquetas tanto desde el
punto de vista del tamaño, como de su detectabilidad con la
distancia al receptor, así como de la posibilidad de hacerlas
activables y desactivables. El esfuerzo, en su mayor parte, se ha
centrado en buscar materiales con campos coercitivos más bajos y
mayor permeabilidad que el Permalloy. Como el pulso de voltaje
generado en el detector debido a la presencia de la etiqueta depende
de las características del ciclo de histéresis del material
utilizado, se ha intentado siempre encontrar materiales con bajo
campo coercitivo y elevada permeabilidad, de forma que se puedan
obtener armónicos de mayor orden y con amplitud mayor para valores
del campo aplicado más bajos, haciendo así que la etiqueta sea más
fácil de distinguir.
Los materiales magnéticos amorfos en forma de
cinta presentan campos coercitivos bajos y susceptibilidad elevada
que pueden optimizarse para ser utilizados en equipos para la
detección electrónica de artículos mediante tratamientos térmicos
adecuados en presencia o no de campo magnético. Así, por ejemplo,
la patente estadounidense US-6475303 se refiere a
la utilización de composiciones basadas en CoNiFeSiBC.
Existen otros materiales que presentan claras
ventajas desde el punto de vista de la detección. Se trata
materiales amorfos que presentan biestabilidad magnética en su
ciclo de histéresis. Este fenómeno está relacionado con la
aparición de un salto de Barkhausen en el ciclo de histéresis del
material para un determinado valor del campo magnético aplicado. El
material presenta un valor de imanación de remanencia distinto de
cero para campo nulo. Para invertir dicha imanación es necesario
aplicar un campo magnético en sentido opuesto. El campo crítico es
el mínimo campo necesario para conseguir la inversión de la
imanación. Este comportamiento se obtiene, fundamentalmente en
hilos (The magnetization reversal in amorphous wires. M.
Vázquez, D.X. Chen 1995 IEEE Trans. Magn. 31,
1229-1238) y en micro-hilos
magnéticos amorfos con elevada anisotropía longitudinal debida a su
alta constante de magnetostricción (Magnetic properties of
glass-coated amorphous and nanocrystalline wires,
M. Vázquez, A.P. Zhukov 1996, J. Magn. Magn. Mat. 160,
223-228).
Cuando se utiliza un material magnético
biestable en un sistema detector el pulso detectado por su
presencia es sustancialmente independiente del ritmo de variación
del campo imanador y de la intensidad del mismo, siempre que esta
intensidad esté por encima de un mínimo valor umbral.
En la patente estadounidense
US-4660025 se muestra un sistema detector en el que
se utiliza como etiqueta un hilo magnético amorfo biestable de
longitud mínima 7,6 cm. En este caso se aplica un campo magnético
alterno a una determinada región del espacio y una alarma se activa
al detectarse una perturbación de dicho campo magnético. Esto se
produce cuando se introduce la etiqueta en esa región y el valor del
campo magnético excede el campo crítico del hilo haciendo que la
imanación se invierta. Esto se conoce como "snap action".
De los resultados obtenidos con este último tipo
de materiales se deduce claramente las ventajas de los detectores
basados en comportamiento magnético biestable en los que la
etiqueta se basa en hilos magnéticos, pero se observa como gran
inconveniente la elevada longitud de la etiqueta.
Además de las ventajas obtenidas en la etiqueta
de la patente US- 4660025 y que se refieren a su alto contenido de
armónicos y el elevado pulso, es importante encontrar la
posibilidad de desactivar este tipo de materiales magnéticos. La
patente estadounidense US-4686516 muestra una forma
de hacerlo a partir de la cristalización del material magnético
amorfo. Esto se hace calentando, por lo menos una parte de la
etiqueta, por encima de su temperatura de cristalización bien
aplicando una corriente eléctrica o una energía radiante como un
láser. Aunque alguno de los procedimientos aquí expuestos permiten
desactivar la etiqueta sin tocarla precisan ser aplicados
cuidadosamente.
La patente estadounidense
US-4980670 muestra un marcador magnético para
vigilancia electrónica de artículos donde la etiqueta presenta
"snap action" para valores bajos de "threshold" del campo
magnético aplicado y además la etiqueta es fácilmente desactivable.
Esta patente incluye el método de fabricar la etiqueta basada en
cintas magnéticas, el desarrollo de un detector y de un
desactivador.
Las condiciones descritas en esta patente para
la obtención en cintas amorfas de comportamiento magnético
biestable del ciclo de histéresis, se basan en tratamientos
térmicos especiales sobre cintas magnéticas amorfas para lograr
enganchar las paredes de los dominios magnéticos. En esta patente
se describen un determinado número de composiciones basadas en
CoFeSiB así como las temperaturas y tiempos de tratamiento.
La desactivación de esta etiqueta se lleva a
cabo sometiendo a la etiqueta a un campo magnético alterno de alta
frecuencia y elevada amplitud. De este modo se crea un gran número
de dominios magnéticos en la cinta. La aparición de estos dominios
en la cinta evita el salto de Barkhausen en el ciclo de histéresis
inutilizando la etiqueta.
La patente estadounidense
US-5313192 desarrolla una etiqueta equivalente a la
de la patente US-4980670, pero más estable y
controlable. Las condiciones de procesado de la cinta magnética
amorfa son las mismas pero, además, la etiqueta se somete a campos
magnéticos predeterminados durante el procesado que permiten
hacerla activable y desactivable. Más particularmente, la etiqueta
de esta invención contiene un material magnético blando que
constituye el núcleo principal y un segundo material magnético duro
o semi-duro. Esta etiqueta está condicionada de tal
forma que el segundo material tiene estados activado y desactivado
respectivamente. En el estado activado la etiqueta exhibe histéresis
biestable, mientras que en el desactivado la etiqueta presenta un
ciclo de histéresis sin saltos de
Barkhausen.
Barkhausen.
La patente estadounidense
-US-6747559 se refiere a una etiqueta permanente
para detección electrónica de artículos basada en
micro-hilos magnéticos con bajo campo coercitivo
(inferior a 10 A/m) y elevada permeabilidad magnética (superior a
20000). La longitud del micro-hilo o
micro-hilos utilizados no es superior a 32 mm. En
este caso es la elevada permeabilidad la que permite obtener
armónicos de elevado orden y con gran amplitud para valores del
campo aplicado suficientemente bajos, haciendo así que la etiqueta
sea fácil de distinguir.
La solicitud de patentes española
P200500970(9) presenta una etiqueta magnética
activable/desactivable basada en micro-hilos
magnéticos formada por dos componentes dónde el primero comprende
un primer conjunto de segmentos de micro-hilo
magnético blando con comportamiento magnético biestable, dispuestos
dichos segmentos sustancialmente alineados según una dirección
paralela a la dirección axial del micro-hilo, y el
segundo componente comprende un segundo conjunto de segmentos de
micro-hilo magnético duro, siendo dichos segmentos
de micro-hilo magnético duro de sustancialmente
igual longitud, y están dispuestos de manera equidistante entre sí
y sustancialmente alineados según una dirección paralela a la del
primer componente. Esta etiqueta, en el estado activado, funciona
del mismo modo que la descrita en la patente
US-6747559.
Todos los sistemas descritos, basados en la
generación de armónicos, presentan una clara limitación en la
distancia de detección. La amplitud del armónico detectado en la
antena receptora es mucho más pequeña que la de la señal que genera
el campo magnético en la zona de detección. Este hecho limita el
rango de detección a unos 90 cm. Otro problema relacionado con la
generación de armónicos es la dificultad para distinguir la señal de
la etiqueta de otras pseudoseñales generadas por cualquier otro
tipo de metales (cinturones, gafas, pulseras, etc.) Otro problema
de este tipo de etiquetas es su tendencia a desactivarse o
reactivarse por condiciones diferentes a las impuestas por el propio
sistema. Las etiquetas magnéticas pueden ser desactivadas a
propósito por la yuxtaposición de un imán permanente o activarse
inadvertidamente por una pérdida de la imanación del componente
magnético duro. Por estas razones los equipos basados en esta
tecnología resultan operativamente caros y con sensibilidades y
fiabilidades
demasiado bajas.
demasiado bajas.
La patente US-4510489 se refiere
tanto a un sistema de detección como a su correspondiente etiqueta.
Utiliza etiquetas magnetomecánicas están formadas por dos
elementos: una cinta amorfas magnetostrictivas y una cinta
magnética dura. El elemento magnetostrictivo se diseña de tal modo
que resuena magnetoelásticamente a una frecuencia predeterminada
siempre que se encuentre saturado. El equipo detector genera un
campo magnético alterno en la zona de detección a la frecuencia
predeterminada de tal modo que la cinta magnetoelástica vibra a
dicha frecuencia. Una antena receptora es capaz de recibir dicha
vibración.
\vskip1.000000\baselineskip
La presente invención propone la fabricación de
una etiqueta magnetomecánica basada en micro-hilos
magnéticos. Este nuevo diseño permite obtener etiquetas de tamaños
menores que las fabricadas a partir de cintas magnéticas. La
etiqueta objeto de la invención consta de dos elementos:
micro-hilo amorfo magnetoelástico y
micro-hilo magnético duro.
De acuerdo con un primer aspecto de la presente
invención, ésta se refiere a una etiqueta magnética
activable/desactivable formada por al menos dos componentes basados
en micro-hilo magnético, donde:
- -
- el primer componente está compuesto por un micro-hilo magnético blando magnetoelástico no biestable con anisotropía magnética transversal inducida caracterizado por poseer una frecuencia de resonancia magnetoelástica de decenas de kHz, preferiblemente 58 kHz.
- -
- el segundo componente es un micro-hilo magnético duro que permite imanar al primer componente en el estado de activación de la etiqueta.
\vskip1.000000\baselineskip
Dicho micro-hilo magnético
blando debe tener una composición magnetoelástica del tipo
(Fe_{1-x}Co_{x})_{60-80}Si_{10-20}
B_{10-20}.
B_{10-20}.
El porcentaje de Cobalto no debe ser superior al
40% en peso.
El diámetro del núcleo metálico del
micro-hilo magnético blando no debe ser inferior a
40 \mum y el espesor de la cubierta aislante debe estar
comprendido entre 10 y 30 \mum.
El micro-hilo magnético blando
debe presentar un ciclo de histéresis de baja frecuencia no
biestable con anisotropía magnética transversal.
El ciclo de histéresis no biestable se obtiene
siempre que el diámetro del núcleo metálico del
micro-hilo sea superior a 40 \mum.
Este comportamiento magnético a baja frecuencia
se obtiene por tratamiento térmico en presencia de campo magnético
transversal al micro-hilo magnético obtenido por
técnica de Taylor.
El tratamiento térmico es efectivo siempre que
el espesor del núcleo metálico del micro-hilo sea
superior a 40 \mum.
La temperatura de tratamiento térmico debe ser
inferior a la temperatura de cristalización de la aleación amorfa y
el campo aplicado debe permitir la saturación del
micro-hilo a la temperatura de tratamiento.
- -
- El micro-hilo magnético blando debe poseer una frecuencia de resonancia magnetoelástica del mismo valor que el equipo de detección (58 Khz).
\vskip1.000000\baselineskip
Dado un micro-hilo magnético
blando determinado habrá una longitud del mismo preferente para un
valor del campo magnético generado por el
micro-hilo duro y que depende de la frecuencia de
resonancia deseada.
La etiqueta debe armarse correctamente de tal
modo que permita al micro-hilo magnético blando
resonar a la frecuencia requerida.
Dichos segmentos de micro-hilo
magnético duro pueden ser obtenidos por tratamiento térmico por
encima de la temperatura de cristalización de
micro-hilos amorfos. Es decir, dichos segmentos de
micro-hilo duro se pueden obtener por tratamientos
térmicos de micro-hilos magnéticos amorfos en
general, pueden o no ser los mismos que los de la parte blanda de
la etiqueta (si interesa si pueden serlo).
Dicha etiqueta puede tener un estado activado,
obtenido como resultado de someter la misma a un campo magnético
alterno, y estando el micro-hilo magnético duro
desimanado.
También puede tener un estado desactivado,
obtenido como resultado de someter la misma a un campo magnético
continuo, y estando el micro-hilo magnético duro
imanados en su estado de remanencia.
Preferiblemente la etiqueta en su estado
activado está configurada para responder a un campo magnético de
frecuencia equivalente a la de resonancia magnetoelástica del
micro-hilo magnético blando.
La etiqueta magnética activable/desactivable de
la invención se puede utilizar para detección electrónica de
objetos.
De esta forma, la etiqueta aquí descrita puede
ajustarse y funcionar en cualquier equipo de los ya existentes, así
como ser activada y desactivada en los correspondientes
equipos.
De acuerdo con un segundo aspecto de la presente
invención, ésta se refiere a un método de obtención de la etiqueta
magnética activable/desactivable, método que comprende:
- -
- obtener un micro-hilo magnético blando con comportamiento magnético no biestable,
- -
- someter dicho micro-hilo magnético blando a un tratamiento térmico en presencia de campo magnético transversal suficiente para saturar la muestra a temperatura inferior a la de cristalización de la aleación amorfa
- -
- cortar el micro-hilo magnético blando a la longitud adecuada para que su resonancia magnetoelástica, en presencia del micro-hilo magnético duro, coincida con la del equipo detector
- -
- obtener un micro-hilo magnético duro.
\vskip1.000000\baselineskip
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente
de realización práctica del mismo, se acompaña como parte
integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con
carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo
siguiente:
La figura 1.- Muestra la disposición de los
micro-hilos magnéticos sobre el soporte mecánico de
una etiqueta magnetoacústica realizada de acuerdo con el objeto de
la presente invención.
La figura 2.- Muestra un ciclo de histéresis
biestable asociado a un micro-hilo magnético blando
de espesor adecuado.
La figura 3.- Muestra el ciclo de histéresis
asociado al micro-hilo magnético blando sometido a
tratamiento térmico en presencia de campo magnético.
La figura 4.- Muestra el circuito con el que se
determina la frecuencia de resonancia del
micro-hilo.
La figura 5.- Muestra la respuesta de un
micro-hilo de 8 cm con ciclo de histéresis como el
de la figura 2 cuando, en presencia de un campo magnético uniforme
1 kOe se le somete a una campo de kHz de frecuencia comprendida
entre 14 y 54 kHz.
La figura 6.- Muestra la respuesta de un
micro-hilo de 4 cm con ciclo de histéresis como el
de la figura 3 cuando, en presencia de una campo magnético uniforme
de 1 kOe se le somete a un campo de kHz de frecuencia comprendida
entre 26 y 34 kHz.
\vskip1.000000\baselineskip
A la vista de las figuras reseñadas y en
especial de la figura 1, puede observarse como la etiqueta que la
invención propone está provista de un micro-hilo
magnético blando (1), de Fe_{45}Co_{25}Si_{15}B_{10}, con un
espesor de núcleo metálico de 60 \mum y cubierta aislante de 20
\mum.
Este micro-hilo (1) se somete a
un tratamiento térmico a 200ºC durante 1 hora, en presencia de un
campo magnético transversal de 50 Oe. Por su parte el
micro-hilo magnético duro (2) posee un campo
coercitivo superior a 60 KA/m, y una composición de CoNiCuMn.
Ambos micro-hilos (1) y (2) se
instalan sobre el soporte mecánico (3) de la etiqueta.
El micro-hilo así preparado se
caracteriza previamente en un dispositivo, cuyo circuito aparece
representado en la figura 4, formado por un generador de funciones
(4) que se conecta a una bobina excitadora (5) dentro de la cual se
introduce el micro-hilo magnético (1). La señal
producida por el micro-hilo la recoge otra bobina
(6) receptora que se conecta a un amplificador
lock-in (7). La composición de las dos señales se
registra en un ordenador (8). El micro-hilo se
encuentra en presencia de un imán (9) generador un campo de 1
kOe.
Con una longitud de 4 centímetros se obtiene una
frecuencia de resonancia de 29 kHz, asociada al primer armónico de
vibración, para el micro-hilo representado en la
figura 3.
Este micro-hilo responde en un
equipo comercial de detección con frecuencia excitadora de de 58
Khz. Dicha frecuencia de 58 kHz se corresponde con el segundo
armónico.
Claims (4)
1. Etiqueta magnetoacústica basada en
micro-hilo magnético, caracterizada porque
está constituida al menos por dos componentes basados en
micro-hilo magnético, un primer componente compuesto
por un micro-hilo magnético (1), blando,
magnetoelástico, no biestable, con anisotropía magnética
transversal inducida y con una frecuencia de resonancia
magnetoelástica de decenas de KHz, preferentemente 58 kHz, y un
segundo componente consistente en un micro-hilo
magnético duro (2), establecidos sobre el soporte mecánico de la
etiqueta, con la particularidad de que el
micro-hilo magnético blando (1) tiene una
composición magnetoelástica del tipo
(Fe_{1-x}Co_{x})_{60-80}Si_{10-20}B_{10-20},
en la que el porcentaje de cobalto no debe ser inferior al 20% en
peso ni superior al 40%, y el diámetro o núcleo metálico no debe
ser inferior a 40 \mum, estando el espesor de la cubierta aislante
comprendido entre 10 y 30 p.m, habiéndose previsto que dicho
micro-hilo magnético blando (1) presente un ciclo
de histéresis de baja frecuencia no biestable con anisotropía
magnética transversal.
2. Etiqueta magnetoacústica basada en
micro-hilo magnético, según reivindicación 1ª,
caracterizada porque el micro-hilo magnético
blando (1) presenta una frecuencia de resonancia mangnetoelástica
del mismo valor que el equipo de detección (58 KHz).
3. Etiqueta magnetoacústica basada en
micro-hilo magnético, según reivindicaciones
anteriores, caracterizada porque el
micro-hilo magnético duro (2) está obtenido por
tratamiento térmico a un nivel superior a la temperatura de
cristalización de los micro-hilos amorfos.
4. Método de obtención de la etiqueta de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende
las siguientes fases operativas:
- -
- Obtención de un micro-hilo magnético blando (1) con comportamiento magnético no biestable.
- -
- Sometimiento de dicho micro-hilo magnético blando a un tratamiento térmico en presencia de campo magnético transversal, suficiente para saturar la muestra a temperatura inferior a la de cristalización de la aleación amorfa.
- -
- Corte del micro-hilo magnético blando a la longitud adecuada para que su resonancia magnetoelástica coincida con la del equipo detector.
- -
- Obtención de un micro-hilo magnético duro.
- -
- Montaje de los micro-hilos magnético blando (1) y duro (2), sobre el soporte mecánico (3) de la etiqueta.
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