JP2003507795A

JP2003507795A - 磁気素子の特性の測定

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Publication number: JP2003507795A
Application number: JP2001517342A
Authority: JP
Inventors: イングランド，ジェイムズ・マーク・カーソン; デイムス，アンドリュー・ニコラス
Original assignee: BTG International Ltd
Current assignee: BTG International Ltd
Priority date: 1999-08-12
Filing date: 2000-08-11
Publication date: 2003-02-25
Also published as: GB9919100D0; US20040232235A1; US6769612B1; GB2353126A; CA2381717A1; GB2353126B; WO2001013321A1; EP1212724A1; AU6459200A; GB0019881D0

Abstract

(57)【要約】向き、保磁力、バイアスおよび応答振幅などの磁気双極子素子の異なる特性を判別する方法とそのような素子を含む磁気タグを読み取るためのタグ読み取り装置。素子は、回転磁界により走査され、２組の遷移データが判別される。遷移データの組がそれぞれの素子に関連付けられ、分析されて、素子ベクトルにそって分解される平均磁界値が求められる。これらの磁界値を使用して、保磁力などの素子の特性を判別する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】（発明の分野）本発明は、磁気素子に関するものであるが、特に排他的にではなく磁気素子を
区別する方法およびそれぞれ保磁力、飽和双極子モーメント（つまり、応答振幅
）、向き、およびバイアス磁界が異なることがある１つまたは複数の磁気素子を
含む磁気データ・タグを読み取る方法と装置に関するものである。

【０００２】（背景）同時係属出願ＰＣＴ公告番号Ｗ０９９／３５６１０では、保磁力の低い磁気材
料から加工したタグを主に対象とするタグおよび読み取り装置システムが記述さ
れており、素子は異なる向きを持ち、データは主に素子相互の向きを使用して記
録される。説明されているシステムでは、タグ素子の保磁力はすべて同じであり
、インテロゲーション・フィールド（ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｉｏｎｆｉｅｌｄ
）と比較して非常に小さい。

【０００３】（発明の概要）本発明によれば、少なくとも１つの磁気素子を持つ磁気タグ（ｍａｇｎｅｔｉ
ｃｔａｇ）を読み取る方法が提示され、この方法は、走査磁界でタグに問い合
わせを行い、少なくとも１つの磁気素子の磁化状態の変化と関連する遷移データ
を判別し、遷移データを１つまたは複数のそれぞれの素子に関連付け、素子ごと
に、その素子の遷移データに対応する素子の方向を判別するステップを含む。

【０００４】素子の方向は、素子の方向にそって分解される遷移磁界ベクトルの散乱を最小
限に抑える方向を選択することにより判別するのが好ましい。各素子の遷移データは、２組にグループ分けすることができ、順方向遷移およ
び逆方向遷移と呼ぶことができる。順方向遷移グループのものはすべて、素子ベ
クトルにそって磁界ベクトルｄＨ／ｄｔの正の成分を持ち、逆方向グループのも
のはすべて、素子ベクトルにそってｄＨ／ｄｔの負の成分を持つ。素子ベクトル
にそって分解される平均磁界ベクトルを計算できる。素子の保磁力は、順方向平
均値と逆方向平均値の差の１／２として計算され、素子にそったバイアス磁界は
、順方向平均値と逆方向平均値の合計として計算される。

【０００５】本発明によれば、さらに、複数の磁気素子を区別する方法が提示され、この方
法は、走査磁界を素子に加え、各素子の方向を判別し、素子ごとに素子が磁化状
態を切り替える素子の方向における磁界の成分を判別し、前記成分から、素子ご
とに素子のそれぞれの特性を判別するステップを含む。

【０００６】本発明はさらに、磁気素子について、素子の保磁力、素子の方向で分解される
局所的磁界バイアス、および素子の向きからなる複数の特性のうち１つまたは複
数を判別する方法を含み、この方法は、変化する磁界を素子に加え、素子の方向
を判別し、素子が磁化状態を切り替える素子の方向において磁界の成分を判別し
、前記成分から、素子の１つまたは複数の特性を判別するステップを含む。

【０００７】本発明によれば、さらに、少なくとも１つの磁気素子を持つ磁気タグを読み取
る磁気タグ読み取り装置も提示され、この方読み取り装置は、走査磁界でタグに
問い合わせを行う手段と、少なくとも１つの磁気素子の磁化状態の変化と関連す
る遷移データを判別する手段と、遷移データを１つまたは複数のそれぞれの素子
に関連付ける手段と、素子ごとに、その素子の遷移データに対応する素子の方向
を判別する手段を備える。

【０００８】添付図面を参照しながら例を用い本発明の実施形態について説明する。（詳細な説明）図１を参照すると、磁気タグ読み取りシステムは磁気データ・タグ１、インテ
ロゲーション・ユニット２、およびシグナル・プロセッサ／コントローラ３を備
える。本発明による磁気タグ読み取り装置とともに使用する磁気タグ１は、保磁
力、局所的バイアス磁界、および応答振幅、さらに向きが異なる素子を使用して
情報を記録できる。これは、ＰＣＴ公告番号Ｗ０９９／３５６１０に記述されて
いるタグ、さらにたとえば米国特許第５２０４５２６号、米国特許第５７２９２
０１号、およびＷ０９８／２６３１２に記述されているタグを含む。大まかに言
うと、磁気タグ１は、素子の特性、たとえば保磁力に応じて加えられた磁界の所
定の値で磁化状態、たとえば磁化方向を通常切り替える磁気素子を備える。これ
らの素子は、たとえば薄膜素子、双安定素子、バルクハウゼン・ワイヤ素子、お
よび高透磁率素子を含む。切り替えを発生する加えられる磁界は、素子の方向の
インテロゲーション・フィールド・ベクトル（ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｉｏｎｆ
ｉｅｌｄｖｅｃｔｏｒ）の成分大きさによって異なる。

【０００９】図２を参照すると、タグ１はラベル付けまたはタグ付けされるアイテム４に取
り付けられており、インテロゲーション・ユニット２内のインテロゲーション・
ボリューム５の中に配置されている。インテロゲーション・ユニット２は、送信
コイル・セット７および受信コイル・セット８を備えるアンテナ６を含む。タグ
１は、プロセッサ／コントローラ３の制御装置１０のもとで送信コイル・セット
７により発生した走査磁界９から問い合わせが行われる。問い合わせ磁界９に応
答して、タグ１は検出可能な磁界応答１１を発生するが、これは受信コイル・セ
ット８で検出される。プロセッサ／コントローラ３は、送信コイル・セット７お
よび受信コイル・セット８からそれぞれ入力信号１２、１３を受信し、信号を処
理してタグに格納されているデータをデコードし、これを出力１４に出す。

【００１０】図３を参照すると、プロセッサ／コントローラ３は、送信コイル・セット７を
駆動するための波形発生装置と、送信コイル・セット７および受信コイル・セッ
ト８からそれぞれの入力信号１２、１３を受信するためのデータ収集回路１６と
、データ収集回路１６から得られた出力信号１８を処理しデコードされたタグ・
データ１４を供給するためのタグ・データ１７を備える。

【００１１】送信コイル・セット７および受信コイル・セット８について、図４から図８を
参照しながら詳述する。図４および図５は受信コイル・セット８の図である。レシーバ・コイルは、直
径２００ｍｍ、長さ４００ｍｍの円柱形状２０で製作されている。図４は、イン
テロゲーション・ゾーン内のタグ磁気素子と結合するのに使用される３組の直交
するコイルを示している。ｙ軸方向では、レシーバ・コイル・セットは４つのコ
イル２１、２２、２３、２４を備える。内側コイル２２、２３は、フォーマー２
０に配置されており、ｘ軸方向２５にそって１２０ｍｍ伸びている。２つの内側
コイル２２、２３は０．４ｍｍのｅｃｗを１００巻きしたものである。外側コイ
ル２１、２４は、０．４ｍｍのｅｃｗを５８巻きしたもので、直径２６０ｍｍの
第２の同軸フォーマー（図には示されていない）に巻いている。コイルはｘ軸方
向にそって１５６ｍｍ延びている。４つのコイル２１、２２、２３、２４は、図
に示されている電気的な意味で直列接続し、わずかな機械的再調整で「バランス
」をとり、一様な磁界に対する０感度を実現している。図に示されている第２の
レシーバ・コイル・セットは、ｚ軸方向のタグ発生磁界に敏感に反応する。この
コイルは、コイル２１、２２、２３、２４と同一であるが、図に示されているよ
うに９０度まで回転する。ｘ軸方向のタグ発生磁界に敏感に反応する第３のコイ
ル・セットは２つのソレノイド・コイル２６、２７を備える。内側コイル２６は
、１００巻きの０．４ｍｍのｅｃｗであり、フォーマー２０に巻き付けられてお
り、長さは１２０ｍｍである。外側コイル２７は、５８巻きの０．４ｍｍのｅｃ
ｗであり、第２の直径２６０ｍｍの同軸フォーマーに巻き付けられており、長さ
は１５６ｍｍである。図５は、内側フォーマー２０と外側フォーマー２８に巻き
付けられたすべてのコイルを示している。

【００１２】図６は、３つの直交する送信コイル構成７を示している。コイルは、長さ３７
０ｍｍ、直径３００ｍｍの円柱状フォーマー３０に巻き付けられている。４つの
コイル３１、３２、３３、３４によりｙ軸方向に一様な磁界が発生する。第１と
第３のコイル３１、３３は、コイル１５、１６と似た「修正ヘルムホルツ」配置
となっている。第２と第４のコイル３２、３４は、第２の修正「ヘルムホルツ」
配置をとり、磁気軸は第１と第３のコイル３１、３３から２５度のオフセットと
なっている。２つの「修正ヘルムホルツ」コイル・セットは、磁気軸がｙ軸方向
のいずれかの側に１２．５度となっている。第１のコイル３１は、５０巻きの１
．４ｍｍのｅｃｗであり、フォーマーにそって長さ３７０ｍｍ延びている。この
コイル３１がフォーマー３０の開放端の間に接続されている場合、コイルは平坦
な半円で総コイル開口幅は５７０ｍｍである。ソレノイド（ｘ方向）にそって配
置されているコイル３１の２つのエッジはフォーマーの軸中心で１２０度となっ
ている。第２から第４までのコイル３２、３３、３４は、サイズも形態も同一で
ある。フォーマー３０を中心とするその向きについては上述したとおりである。
４つのコイルは図に示されている意味で直列接続されている。第２の送信コイル
・セットは、ｚ軸方向に一様な磁界を発生する。このセットは、図に示されてい
るように直交する方向に向きをとる４つの同じコイルを備える。

【００１３】最後のトランスミッタ・コイルは、長いソレノイド・コイル３５であり、コイ
ル・フォーマーに１．４ｍｍのｅｃｗを２６０巻きしたものである。これにより
、ｘ軸方向に一様な磁界が発生する。

【００１４】図７は、３つの直交する方向で一様な磁界を発生するための送信コイル配置全
体を示している。図８は、アンテナ６を示している。フォーマー３０の送信コイ
ルは、レシーバ・コイル・チューブ２０と同軸となるように配置されている。イ
ンテロゲーション・ボリューム５は、さらに１９０ｍｍＩＤの同軸チューブ（
図には示されていない）で定められ、これはアンテナ６における可能なタグ位置
決めに対する機械的制約を定めるために使用される。最高感度の縦領域は長さ１
０ｃｍ未満であり、読み取り装置チューブの軸にそって１０ｃｍ以上隔てられた
ときにタグを正確に読み取れる。

【００１５】図９は、磁気タグに格納されているデータをデコードするのに必要なステップ
の全体的順序を示している。第１の段階はデータ収集である（ステップｓ１）。
データは、走査インテロゲーション・フィールド９をタグ１に適用した結果生じ
る磁界１１を検出し、得られた信号をデジタイズし、後で処理するためにデジタ
イズされた信号を格納するステップにより収集される。これにより、３チャネル
分の入力データが得られ、それぞれｘ、ｙ、ｚ軸方向に対応する。デジタル信号
処理を実行して、個々の切り替え点を識別するが、ここでは遷移とも呼ぶ（ステ
ップｓ２）。その結果、遷移情報の配列が得られる。各遷移は、１つの素子と関
連付けられ（ステップｓ３）、素子の配列が得られる。その後、素子を個別にデ
コードする（ステップｓ４）。最後に、タグをデコードし、タグ値データを得る
（ステップｓ５）。

【００１６】データ収集図１０を参照すると、本発明によるシグナル・プロセッサ／コントローラ３の
実例は、波形発生用のＮａｔｉｏｎａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製ＰＣＩ６
７１１４チャネルＤＡＣカード３９とデータ収集用のＮａｔｉｏｎａｌＩｎ
ｓｔｒｕｍｅｎｔｓＰＣＩ６１１０Ｅ４チャネルＡＤＣカード４０を備える
。カードは、Ｗｉｎｄｏｗｓ９５（商標）が稼動している業界標準ＩＢＭ互換Ｐ
Ｃ４１に装着する。波形発生カード３９はソフトウェア制御のもとで、３つの送
信励起電圧４２、４３、４４を発生し、これらの電圧はそれぞれのローパスフィ
ルタ４５、４６、４７に通され、それぞれの電力増幅器４８、４９、５０で増幅
され、それぞれの直交する送信コイルを駆動するが、これらは、それぞれのキャ
パシタ５１、５２、５３、および抵抗器５４、５５、５６との直列共振構成で配
列されている。駆動電流はたとえば、２．５ｋＡ／ｍのインテロゲーション・フ
ィールドを発生するのに３Ａｒｍｓである。トランスミッタ電流は、それぞれの
電流感知抵抗器５７、５８、５９によって監視され、それぞれの増幅器６０、６
１、６２を通じて入力６３、６４、６５としてデータ収集カード４０に供給され
、そこで、たとえば１６０ｋＨｚのサンプリング・レートでデジタイズされる。
瞬間送信磁界ベクトルは、送信コイル磁界と電流応答との関係を知ってこれら３
つの信号から判別できる。たとえば、システムのプレキャリブレーションは、駆
動電流の異なる値について送信磁界を測定することにより実行される。

【００１７】直交するレシーバ・コイル内に誘発した信号は、それぞれの増幅器６６、６７
、６８によって増幅され、送信磁界を除去するためそれぞれの１３０Ｈｚノッチ
・フィルタ６９、７０、７１に通され、入力７２、７３、７４としてデータ収集
カードに供給され、そこで、たとえば１６０ｋＨｚのサンプリング・レートでデ
ジタイズ（ｄｉｇｉｔｉｓｅ）される。データ収集は、データがクロックに同期
してバッファに格納され、後から非同期にバッファから読み出されるようにバッ
ファリングされる。バッファの深さは、後の処理ステップで最悪の待ち時間に対
応できる十分なものである。

【００１８】この例では、連続走査で、公称１３０Ｈｚ回転磁界に基づきタグに問い合わせ
を行い、その法線ベクトルは完全球面上で螺旋状走査をなぞるように配列され、
球の一方の極から他の極への経路を辿り、戻る。「送信済み」Ｂインテロゲーシ
ョン・フィールドの成分は以下の式で与えられる。

【００１９】

【数１】

【００２０】ただし、ｔが時間、ωは１３０Ｈｚの走査の角周波数、φ＝（定数）＊θ、お
よびθ＝ｃｏｓ^-1（１−ｔ／Ｔ）である。Ｔは、完全な問い合わせ１回の合計時
間である。

【００２１】図１１は、データ収集カード４０の入力６３、６４、６５で受信される３つの
送信電流波形８０、８１、８２を示している。デジタル信号処理データ収集カード４０へのデータ入力で実行されるデジタル信号処理段（ステ
ップｓ２）について、図１２の処理アルゴリズムの流れ図の説明を参照しながら
説明することにする。

【００２２】ＤＳＰアルゴリズムの目的は、個々の遷移を識別し、後の処理アルゴリズムの
各遷移ごとに関連するすべてのパラメータを記録することである。これにより、
後の処理段に受け渡されるデータの量が大幅に低減する。

【００２３】ＤＳＰアルゴリズムは、データ収集プロセスによって出力されるサンプル・デ
ータの３つのチャネルに作用する。図１３は、単一の遷移に対するｘ、ｙ、ｚチ
ャネルでの生のインパルス応答を示している。

【００２４】図１２を参照すると、第１のステップｓ１０で、ＦＩＲフィルタが３つすべて
のチャネルに適用され、レシーバ・ベクトルを形成する３組のフィルタ処理され
たデータを出力する。最も単純なフィルタは、３つの矩形セクションからなり、
生データのピークの高さを測定する方法を実現する。中央セクションの幅がｗで
高さ＋１であれば、外側の２つのセクションの幅はｗ／２で高さ−１である。幅
ｗは、通常、磁気素子の応答時間と同じ値、たとえば２０〜３０μｓである。

【００２５】送信磁界ベクトルＨを使用して、ｘ、ｙ、およびｚレシーバ・コイル内の素子
遷移の正しい極性を求める。レシーバ・コイル内の遷移極性は、レシーバ・コイ
ルの方向の磁界ベクトルｄＨ／ｄｔの変化率の極性に直接関係する。ｄＨ／ｄｔ
の値を使用して、「極性ベクトル」を生成するが、それぞれの成分は値として±
１をとることができる。極性ベクトルとフィルタに通されたレシーバ・ベクトル
とのスカラー（ドット）積を計算し（ステップｓ１１）、レシーバ・ベクトルの
大きさである正の値に結果の符号（±１）を掛ける（ステップｓ１２）。その結
果、図１４に示されている複合信号が得られ、すべての素子の遷移の極性は常に
同じであり、単純なピーク検出器を使用してピーク値を測定できる。

【００２６】ピーク検出手法は、当業ではよく知られている。この場合、単純なしきい値を
使用してピーク検出器入力データのゲートとし、スプリアス・ピークとして現れ
るノイズを避ける。３つまたはそれ以上の値がしきい値を超えたとき（ステップ
ｓ１３）、また現在値が前の値および次の値よりも大きい場合（ステップｓ１４
）に、ピークを識別する。ピークの時間を、３点を通る二次式による単純な当て
はめでサンプル周波数よりも高い分解能で補間する。

【００２７】各遷移に対するデータは配列内に格納される（ステップｓ１５）。データには
次のものがある。時間磁界ベクトル（Ｈ）磁界ベクトルの変化率（ｄＨ／ｄｔ）レシーバ・ベクトル（生ベクトルとＦＩＲフィルタに通されたベクトルの両
方）素子関連付け素子関連付けアルゴリズムは、遷移データ転をタグ内の特定の磁気素子と関連
付ける機能を持つ。後の処理ステップで、孤立している各磁気素子のデータを分
析し、複数の素子を一連の比較的単純な数値解法に分けることにより見かけ上複
雑な問題の複雑さを減らすことができる。

【００２８】素子が一般に並列であるかどうかに応じて、遷移を素子に関連付けるために使
用する２つの主要なメカニズムがある。これらについて以下に説明する。一般の
場合、第１のステップで、非並列アルゴリズムを使用してグループに分け、必要
ならば、各個別グループを分析して、複数の並列素子または並列に近い素子を含
むかどうかを調べる。

【００２９】非並列素子の場合、フィルタに通されたレシーバ・ベクトルを使用して素子間
の遷移を分離する。これは図１５から明らかにわかり、この図は７つの非並列素
子を持つ例のタグの３Ｄ散布図にフィルタに通されたレシーバ・ベクトルを示し
ている。散布図を調べると、遷移点の大半が原点を通る７つの異なる直線のうち
の１つにそって描かれており、例のタグには７つの識別可能な素子の方向がある
ことを示している。それぞれの方向は、２つのパラメータによって記述すること
ができ、したがって、遷移を２Ｄで複数のグループにクラスタ化できる。この多
次元クラスタ化を実現するために使用できる異なる適切な手法がいくつかある（
たとえば、Ｓ．Ｍａｋｅｉｇ、Ｓ．Ｅｎｇｈｏｆｆ、Ｔ−Ｐ．Ｊｕｎｇ、Ｍ．Ｗ
ｅｓｔｅｒｆｉｅｌｄ、Ｊ．Ｔｏｗｎｓｅｎｄ、Ｅ．Ｃｏｕｒｃｈｅｓｎｅ、お
よびＴ．Ｊ．Ｓｅｊｎｏｗｓｋｉ著「Ｍｏｖｉｎｇ−ＷｉｎｄｏｗＩｎｄｅｐ
ｅｎｄｅｎｔＣｏｍｐｏｎｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＥｖｅｎｔＲ
ｅｌａｔｅｄＥＥＧＤａｔａ：ＣｏｍｐｏｎｅｎｔＳｔａｂｉｌｉｔｙ，
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｅｕｒｏｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙ」）。特定のタグ構造
に関する詳細がわかれば、問題を簡素化できる。たとえば、すべての素子が同じ
平面内にあれば、問題は一次元の問題に還元できる。予想される素子の数がわか
れば、クラスタ化プロセスの助けになる。

【００３０】素子の数が判明している平面タグの特定の場合では、図１６に概要が示されて
いるアルゴリズムが使用される。遷移の平面に対する法線は、たとえば、数値プ
ロセスで求められる（ステップｓ２０）。たとえば、すべてのレシーバ・ベクト
ルと推定方向ベクトルとのドット積を計算し、このプロセスをドット積の大きさ
の合計が最小になるまで繰り返す。これにより、問題は一次元の問題、つまり平
面内の角度の問題に還元される。平面内のベクトルの組は、各ベクトルから順繰
りにそれ自身と平面に対する法線とのドット積を単に引くことにより元のベクト
ルの組から計算で求めることができる。平面内の２つのベクトルのなす平面内の
角度はドット積を使用して通常のように簡単に計算できる。平面内の角度はすべ
て、必要に応じて１８０度の倍数を加算または減算して範囲０〜１８０度に収ま
るようにした。このアルゴリズムにより、第１の点など、ある種の任意のデータ
に関して平面内角度のヒストグラムを計算する。たとえば、ヒストグラムのビン
が１度幅だとすると、ｎ番目のビンは範囲ｎ度〜（ｎ＋１）度の範囲に収まる個
数の角度を含む。これにより、素子ごとに１つのピークとして一連のピークが得
られるのがふつうである。たとえば、このアルゴリズムでは、遷移配列から第２
の点を求め（ｓ２１）、第１の点に関する平面内角度を測定し（ステップｓ２２
）、ヒストグラムの適切なビンを増分する（ステップｓ２３）。このプロセスは
、すべてのデータが処理されるまで繰り返す（ステップｓ２４）。ガウスの平滑
化をヒストグラム・データに適用した後（ステップｓ２５）、このヒストグラム
の最高のピークを求めてタグ内の素子の方向を見つけることができる（ステップ
ｓ２６）。所定の方向の素子に属する遷移を判別するために、アルゴリズムでは
、この方向の（平面内の）２度以内であるすべての遷移を見つける。処理された
ピークを計算から除外し（ステップｓ２８）、この処理シーケンスを繰り返して
（ステップ２６からｓ２８）、すべてのデータを処理する（ステップｓ２９）。

【００３１】並列素子を分離するために、アルゴリズムでは、素子の回りの磁界ベクトルＨ
の連続走査の２つの特性、つまり、第１は最低から最高までの保磁力の順序で素
子が遷移すること、第２は磁界ベクトルＨが一方向での最高の保磁力を持つ素子
の最後の遷移から逆方向での最低の保磁力の素子の第１の遷移まで少なくとも９
０度回転するという特性を利用する。

【００３２】送信磁界が十分に高い値に達しないため素子のいくつかが状態を変えない場合
、１８０度の走査で素子よりも遷移が少なくなる。この場合、遷移は「失われて
いる」状態であり、最高の保磁力の素子から始まる。図１７は、異なる保磁力を
持つ３つの並列素子について送信磁界が数回転したときのフィルタに通された複
合波形を示している。各素子は、それぞれのピーク９０、９１、９２と関連して
おり、異なる素子に属している遷移を分離するのが比較的簡単である。これを実
行するアルゴリズムの概要を図１８に示す。

【００３３】これは、毎回新しい遷移を識別するごとに増分され、フィールドが遷移から遷
移の間に９０度以上回転するごとに０に設定される素子カウンタを保持すること
により動作する。データは、遷移配列から抽出され（ステップｓ３０）、アルゴ
リズムにより、最後の遷移点以降に９０度を超えて送信磁界が回転したかどうか
を判別する（ステップｓ３１）。回転していれば、素子カウンタは０にリセット
される（ステップｓ３２）。この後に、遷移に対応する素子番号が素子カウンタ
の現在値に応じて設定される（ステップｓ３３）。素子カウンタが増分され（ス
テップｓ３４）、プロセスが次の遷移点について繰り返される（ステップｓ３０
）。たとえば、素子カウンタの０調整の後の第１の遷移は素子０と関連付けられ
、その次は素子１と関連付けられ、というように、磁界が９０度を超えて回転す
るまで続けられる。

【００３４】素子のデコード素子デコード・アルゴリズムの目的は、１つの素子に属する遷移データをとり
、この素子の最良適合方向ベクトルを求めることである。方向が判明したら、素
子の保磁力、および素子ベクトルにそったネットＤＣ磁界または「バイアス」を
計算できる。

【００３５】図１９は、有限な保磁力を持つ単一磁気素子の遷移点磁界ベクトルの３Ｄ散布
図である。この例では、磁界はおおよそ球面を走査し、遷移点はおおよそ２つの
円９３、９４上にある。より一般的に述べると、遷移点は２つの平面のうちの一
方に置かれていると予想される。散布図内の遷移データの表示を傾けることによ
り、図２０に示されているように、２つの平面のエッジが接していることがわか
る。太い縦の矢印９５は素子ベクトルを示す。

【００３６】素子デコード・アルゴリズムでは、この方向で分解される磁界ベクトルの分散
を最小にすることにより素子の最良ベクトル方向を求めようとする。図２１は、
正しい方向にない素子ベクトルについて推定値９６をとった状況を示している。
遷移９３の上側の組をとると、これらが素子ベクトル９６に射影されたときに、
延長された分布９７（暗色の部分で示される）がベクトル９６にそって形成され
ることは明らかである。ベクトルを回転させると、この分布の範囲は、ベクトル
がタグ素子の実際の方向に一番近いときに最小となる。

【００３７】図２２は、反復解法プロセスで使用される誤差を計算するためのアルゴリズム
の流れ図である。このアルゴリズムでは、素子ベクトル方向Ｖの現在の推定値を
使用する。最初、これは、素子関連付けアルゴリズムから得られるベクトル方向
である。

【００３８】第１のデータ点が取り出され（ステップｓ４０）、上で図１２に関して説明し
たように、方向推定値ＶとｄＨ／ｄｔに対する極性ベクトルとのドット積が計算
される（ステップｓ４１）。これが、つまり上側の遷移の組について正であれば
、磁界ベクトルと素子ベクトルのドット積を計算し（ステップｓ４３）、上側の
統計量の組に加える（ステップｓ４４）。このドット積で、素子ベクトルにそっ
て磁界ベクトルの成分を分解する。ステップｓ４１で負のドット積で示されてい
る、下側の遷移の組についても同じ計算を実行する（ステップｓ４５、ｓ４６）
。上側と下側（順方向と逆方向）の遷移の組は、素子の方向にそってｄＨ／ｄｔ
の符号により区別されるか、またはそれとは別に、素子の方向にそってフィルタ
処理されたレシーバ・ベクトルの符号により区別される。この手順を、すべての
データ点について繰り返す（ステップｓ４７）。上側と下側の遷移の組の遷移の
個数の重みを付けて、上側と下側の遷移の組のそれぞれの分散から別々に分散の
平均値を計算する（ステップｓ４８）。標準の公式を使用してデータの各組につ
いて分散を計算する。一組の測定データ点について、分散ｖａｒ（ｘ）はｘの平
方の平均からｘの平均の平方を引いた値、つまり数式で表すと次のようになる。

【００３９】ｖａｒ（ｘ）＝＜ｘ²＞−＜ｘ＞² 分散ｖａｒ（ｕ）を持つＮ_u上側遷移点ｕおよび分散ｖａｒ（ｌ）を持つＮ_l下
側遷移点ｌの重み付き分散は以下の式で与えられる。

【００４０】

【数２】

【００４１】重み付き分散は、推定されたベクトル方向の誤差の測定基準として使用される
。推定方向が実際の素子方向に等しい場合、重み付き分散は一般に最小値を持つ
。遷移磁界の決定には材料の性質上電子ノイズやランダム性などの発生源から生
じる一定量のノイズが常に存在するため値は決して０にならない。最も単純な場
合、分散は球の極座標（ｒ、θ、φ）からのθやφなどの２つの方向変数の関数
（解析関数ではなく数値的に求められる関数）である。この関数の値は、標準数
値最小化アルゴリズムを使用して最小にできる。分散は、理想的な方向からの逸
脱にともなっておおよそ二次の項に比例して変化し、これは、最小化アルゴリズ
ムが極端に効率的な場合があることを意味する（「二次」の場合は一般に最も簡
単であると考えられている）。多変数数値最小化アルゴリズム（ｍｕｌｔｉ−ｖ
ａｒｉａｔｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｉｎｉｍｉｓａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉ
ｔｈｍ）は当業ではよく知られており、たとえばＰｏｗｅｌｌの方法などがある
。

【００４２】重み付き分散が最小でない場合（ステップｓ４９）、適切な最小化アルゴリズ
ムに従って方向推定値Ｖを調整し（ステップｓ５０）、新しい値Ｖでアルゴリズ
ムを再実行する。重み付き分散を最小化すると、上側と下側の遷移の組に対する
磁界の平均値が計算される（ステップｓ５１、ｓ５２）。素子の保磁力は、２つ
の切り替え磁界の差の１／２として計算され（ステップｓ５３）、素子にそった
ＤＣ磁界は、２つの切り替え磁界の合計として計算される（ステップｓ５４）。

【００４３】追加パラメータは方向とともに数値最小化に加えることができ便利である。追
加する最も重要な項は、ベクトル速度であり、これによりアルゴリズムではデコ
ード・プロセスでタグ素子の移動を取り扱える。そこでステップｓ４１、ｓ４３
、ｓ４５の素子方向は、遷移が発生する時間の関数であり、分散に対する関数は
４つのパラメータ（たとえば、θ、φ、ｄθ／ｄｔ、およびｄφ／ｄｔ）に依存
する。再び、この関数は、標準多変数最小化アルゴリズムを使用して簡単に最小
にできる。

【００４４】多くの磁気素子が理想的な振る舞いをせず、ｄＨ／ｄｔの値に応じて切り替え
磁界（または保磁力）の著しい変化を示す。素子にそって解かれる切り替え磁界
の一般形式は以下のとおりである。

【００４５】

【数３】

【００４６】ただし、ａ、ｂなどは任意の指数である。係数ｋが判明している場合、Ｈ₀の
値は、測定された切り替え磁界から計算で求めることができ、この値の分散は前
のように最小化できる。係数ｋが判明していないが、値ａ、ｂが判明している場
合、数値最小化の関数はさらに、係数ｋを関数の引数として含むだけでなく、方
向および速度の項も含む。この場合、値ｋを使用して、異なる種類の材料を区別
することができ、より多くのデータを格納できる。

【００４７】異方性の薄膜磁気材料は他の形の非理想的な挙動を示す場合がある。磁化容易
軸を持つ材料の場合、磁化容易軸に垂直な平面内磁界は材料が切り替わる磁界に
影響を及ぼすことがある。上述のと似たアプローチを使用して、生切り替え点か
ら公称定数値Ｈ₀を計算できる。

【００４８】タグ・デコード本発明による読み取り装置からの各磁気素子の一次出力データは以下のとおり
である。

【００４９】読み取り装置の向き（ベクトル）素子の保磁力（スカラー）各素子にそったバイアス磁界（スカラー）振幅応答（スカラー）各素子の二次データには次のものがある。

【００５０】ｄＨ／ｄｔの係数垂直磁界係数応答時間特性応答「形状」またはスペクトル一次パラメータの統計的分布このデータには、タグの構造に関してほとんど仮定がない。タグの構造（たと
えば、素子がバイアス磁気素子を共有する）を使用して、詳細な内容、たとえば
、バイアス磁界の全体の大きさと方向を与えることができる。選択された符号化
方式の詳細を使用して、これらすべての生パラメータをタグに格納される有用な
データに翻訳する。

【００５１】本発明の上の例は、制限するのではなく、説明することを目的としている。当
業者であれば、詳述した実装にはさまざまな修正およびバリエーションがありえ
ること、また付属の請求項で定められているように本発明の範囲と精神の範囲内
にあると考えられることを理解するであろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】磁気データ・タグ読み取りシステムの概略図である。

【図２】図１の磁気データ・タグ読み取りシステムの構成要素を詳細に示す概略図であ
る。

【図３】図１および図２に示されているシグナル・プロセッサ／コントローラの詳細を
示す概略図である。

【図４】

【図５】受信コイル・セットの図である。

【図６】送信コイル・セットの図である。

【図７】送信コイル・セットの図である。

【図８】送信コイル・セットと受信コイル・セットを備えるアンテナの図である。

【図９】処理アルゴリズムの全体を示す流れ図である。

【図１０】データ収集回路の概略図である。

【図１１】送信電流波形の図である。

【図１２】信号処理およびフィルタ処理アルゴリズムの流れ図である。

【図１３】単一の素子遷移について、ｘ、ｙ、およびｚレシーバ・コイル・プリアンプか
らＡＤＣへの入力のところに現れる信号の図である。

【図１４】図１３の信号の複合フィルタ出力の図である。

【図１５】フィルタ処理されたレシーバ・ベクトルの３Ｄ散布図である。

【図１６】平面タグに使用されるクラスタ化アルゴリズムの流れ図である。

【図１７】３つの並列素子の複合フィルタ出力の図である。

【図１８】並列素子クラスタ化アルゴリズムの流れ図である。

【図１９】単一素子の遷移磁界ベクトルの３Ｄ散布図である。

【図２０】遷移平面が縁を接するように傾けた、図１９と同じ３Ｄ散布図である。

【図２１】ズレている素子方向ベクトルにそって生じる磁界ベクトルの分布の図である。

【図２２】平均切り替え磁界、切り替え磁界変動、保磁力、およびＤＣバイアス磁界の計
算の流れ図である。

【手続補正書】

【提出日】平成１４年２月１３日（２００２．２．１３）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正の内容】

【図面の簡単な説明】

【図４】受信コイル・セットの図である。

【図５】受信コイル・セットの図である。

【図６】送信コイル・セットの図である。

【図７】送信コイル・セットの図である。

【図９】処理アルゴリズムの全体を示す流れ図である。

【図１０】データ収集回路の概略図である。

【図１１】送信電流波形の図である。

【図１４】図１３の信号の複合フィルタ出力の図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者デイムス，アンドリュー・ニコラスイギリス国ケンブリッジシービー４１エイチユー，デ・フレヴィル・アベニュー 74 Ｆターム(参考） 5B072 CC27 CC29 DD04 FF01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも１つの磁気素子を持つ磁気タグを読み取る方法で
あって、走査磁界でタグに問い合わせを行うステップと、少なくとも１つの磁気素子の磁化状態の変化と関連する遷移データを判別する
ステップと、遷移データを１つまたは複数のそれぞれの素子に関連付け、素子ごとにその素
子の遷移データに対応する素子方向を判別するステップを含む方法。
【請求項２】素子方向を判別するステップが、素子方向にそって分解され
る遷移磁界ベクトルの分散を最小にする方向を選択するステップを含むことを特
徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】素子遷移の種類別に遷移データをグループ分けするステップ
を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】第１と第２の種類の素子遷移をグループ分けするステップを
含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】第１の種類の素子遷移が、順方向遷移であり、第２の種類の
素子遷移が、逆方向遷移であることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】遷移を定める信号を１つまたは複数のレシーバ・コイルで受
信し、素子の方向で磁界ベクトルの変化率の極性に従って遷移の種類を決定する
ステップを含むことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の方法。
【請求項７】第１および第２の種類の遷移のそれぞれの切り替え磁界に関
係する情報を判別するステップを含むことを特徴とする請求項４、請求項５、ま
たは請求項６に記載の方法。
【請求項８】素子と関連する遷移データに関係する前記切り替え磁界情報
から素子の特性を判別するステップを含むことを特徴とする請求項７に記載の方
法。
【請求項９】素子の保磁力を第１と第２の切り替え磁界の差の実質的に１
／２として計算するステップを含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】素子のバイアス磁界を第１と第２の切り替え磁界の差の実
質的な合計として計算するステップを含むことを特徴とする請求項８または請求
項９に記載の方法。
【請求項１１】第１の切り替え磁界が、第１の種類の遷移に対する切り替
え磁界の平均値を含み、第２の切り替え磁界が、第２の種類の遷移に対する切り
替え磁界の平均値を含むことを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の方
法。
【請求項１２】成分が１つまたは複数の受信コイル内の信号の振幅を表す
レシーバ・ベクトルを使用して遷移データを１つまたは複数のそれぞれの素子に
関連付けるステップを含むことを特徴とする前記請求項のいずれか一項に記載の
方法。
【請求項１３】回転磁界を使用してタグを走査するステップを含むことを
特徴とする前記請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】タグが複数の磁気素子を備え、さらに回転磁界に応答して
素子が遷移する順序に従って遷移データをそれぞれの素子に関連付けるステップ
を含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】保磁力、特定の磁気素子またはそれぞれの磁気素子の方向
で分解される局所的磁界バイアス、および知られているインテロゲーション・フ
ィールドの基準フレームに関する特定の磁気素子またはそれぞれの磁気素子の向
きを判別するステップを含むことを特徴とする前記請求項のいずれか一項に記載
の方法。
【請求項１６】さらに加えられる磁界への特定の磁気素子またはそれぞれ
の磁気素子の振幅応答を判別するステップを含むことを特徴とする前記請求項の
いずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】複数の磁気素子を区別する方法であって、走査磁界を素子に作用させるステップと、それぞれの素子の方向を判別するステップと、素子ごとに、素子が磁化状態を切り替える素子の方向の磁界の成分を判別する
ステップと、前記成分から、素子ごとに素子のそれぞれの特性を判別するステップを含む方
法。
【請求項１８】第１と第２の切り替え成分を、素子の方向にそった磁界の
変化率がそれぞれ正と負のときの成分として判別するステップを含むことを特徴
とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】それぞれの特性が、素子の保磁力を含むことを特徴とする
請求項１７または請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】素子のそれぞれの特性への参照によりデータを格納するス
テップを含むことを特徴とする請求項１７ないし請求項１９のいずれか一項に記
載の方法。
【請求項２１】素子の向き、保磁力、素子にそったバイアス磁界、および
振幅応答のうちいずれか１つまたは複数を参照することによりデータを格納でき
ることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】適用される磁界の変化率、垂直磁界、応答時間、特性応答
形状、およびパラメータの統計的分布のうちいずれか１つまたは複数に関係する
パラメータを参照することによりデータを格納できることを特徴とする請求項２
０または請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】磁気素子について、素子の保磁力、素子の方向で分解され
る局所的磁界バイアス、および素子の向きを含む複数の特性のうち１つまたは複
数を判別する方法であって、変化する磁界を素子に作用させるステップと、素子の方向を判別するステップと、素子が磁化状態を切り替える素子の方向の磁界の成分を判別するステップと、前記成分から、素子の１つまたは複数の特性を判別するステップを含む方法。
【請求項２４】コンピュータ上で実行する場合、請求項１ないし請求項２
３までのいずれかのステップを実行するように構成されているコンピュータ・プ
ログラム。
【請求項２５】少なくとも１つの磁気素子を持つ磁気タグを読み取る磁気
タグ読み取り装置であって、走査磁界でタグに問い合わせを行う手段と、少なくとも１つの磁気素子の磁化状態の変化と関連する遷移データを判別する
手段と、遷移データを１つまたは複数のそれぞれの素子に関連付ける手段と、その素子の遷移データに対応する素子方向を素子ごとに判別する手段を備える
磁気タグ読み取り装置。
【請求項２６】走査磁界が、回転磁界を含むことを特徴とする請求項２５
に記載のタグ読み取り装置。
【請求項２７】さらに素子方向にそって分解される遷移点磁界ベクトルの
分散を最小にする素子方向を選択する手段を含むことを特徴とする請求項２５ま
たは請求項２６に記載のタグ読み取り装置。
【請求項２８】素子が第１と第２の遷移を受ける第１と第２の切り替え磁
界を定めるデータを前記遷移データが含むことを特徴とする請求項２５ないし請
求項２７のいずれか一項に記載のタグ読み取り装置。