KR20000062258A

KR20000062258A - 자성의 제품 모니터링 시스템에 사용하기 위한 디스플레이 장치

Info

Publication number: KR20000062258A
Application number: KR1019997005601A
Authority: KR
Inventors: 기젤허 헤르처
Original assignee: 베르너 하르바우어; 볼프-디이터 프라이부르크; 바쿰슈멜체 게엠베하
Priority date: 1996-12-20
Filing date: 1997-12-19
Publication date: 2000-10-25
Also published as: EP0946888B1; WO1998028639A3; WO1998028639A2; JP2001507831A; DE59706641D1; EP0946888A2; DE19653430A1; US6137412A

Abstract

본 발명은, 무정형 강자성 재료로 구성되며 장타원형이고 연성인 하나 이상의 자기 변형 밴드로 이루어진, 자성의 상품 모니터링 시스템에 사용하기 위한 디스플레이 장치에 관한 것이다. 상기 밴드는, 예비 자기화 필드에서의 변형에 의해 공진 주파수의 변동을 경험하며, 공진 주파수(f_r)에서 길이 방향의 기계적인 공명 진동을 일으키는 교번 자장에 의해서 여기된다. 공명 진동으로부터 결과되는 기계적인 장력은 밴드의 자기화 변동을 초래하며, 그 결과 자성 교번 자장의 검출 가능한 변동이 초래된다. 밴드를 조성하는 재료는 평탄한 B-H-루우프를 가지며, 이 루우프는 포화 영역까지 가급적 선형으로 진행된다. 상기 밴드는 또한 밴드의 종방향에 대해서 횡으로 자성의 비등방성을 가지며, 그 비등방성 필드 강도는 예비 자기화 필드 강도보다 더 크다. 예비 자기화 필드 강도의 변동과 관련한 공진 주파수의 변동은 df_r/dH_Bias≥ 1,500 HZ/Oe이며, 이와 관련해서 밴드는 필드 범위(dH_BIAS≥ 1 Oe)에서 품질 계수(Q ≥ 100)를 갖는다.

Description

자성의 제품 모니터링 시스템에 사용하기 위한 디스플레이 장치 {DISPLAY ELEMENT FOR USE IN A MAGNETIC MERCHANDISE MONITORING SYSTEM}

비정형의 강자성 재료로 이루어진 밴드가 자기장에 노출되는 경우에는, 자기 변형이 밴드 길이 변동의 조건이 된다. 자기 변형이 포지티브한 경우에는 자기장이 증가함에 따라 밴드가 연장된다. 그러나 이러한 관계는 선형이 아니라, 오히려 밴드의 치수 및 자기장의 크기에 의존한다. 자기장이 결정된 밴드에서 단계적으로 각각 동일한 크기만큼 상승되면, 처음에는 다만 작은 길이 변동만이 이루어지고, 자기화를 상승시키기 위한 단계가 진행됨에 따라 길이 변동은 점점 더 커지며, 포화에 도달된 경우에는 자기장이 단계적으로 추가로 상승됨에도 불구하고 추가의 길이 변동이 이루어지지 않는다는 사실이 확인된다.

이러한 특성은, 특히 밴드가 예비 자기화 필드에 노출되는 경우에는 상기 방식의 밴드가 기계적인 진동을 여기할 수 있도록 영향을 미치며, 이 경우 상기 예비 자기화 필드의 크기는 자기장의 변동이 동일한 경우에는 높은 길이 변동을 결과로 초래한다. 또한 자기장에 의해서 이루어지는 길이 변동은, 인장력이 밴드상에 작용하지 않으면서 상기 범위에서 밴드의 길이가 변동되도록 영향을 미친다.

밴드가 기계적으로 진동되는 경우에는 상기 진동의 공진 주파수를 위해서 재료의 탄성 모듈이 중요하다. 상기 탄성 모듈이 크면 클수록, 결정된 길이 변동을 위해 요구되는 파워는 더 크며, 진동 밴드의 공진 주파수는 더 높다. 자기장 작용에 의해서 파워 없이도 추가의 길이 변동이 이루어진다. 재료는, 상기 재료가 기계적인 탄성 모듈보다 더 작은 모듈을 가지는 것처럼 작용한다.

이것의 결과는, 교번 자장에 의한 기계적인 진동의 여기시 예비 자기화가 증가함에 따라 공진 주파수는 밴드의 예비 자기화가 없는 경우보다 더 낮아진다. 결정된 공진 주파수에서 예비 자기화가 이루어진 경우에 높은 신호 진폭으로 진동하는 밴드는 동일 주파수로 여기될 때 예비 자기화가 제거된 경우보다 훨씬 더 진동이 적다. 왜냐하면, 그럼으로써 공진 주파수는 상승되고, 여기되는 주파수 및 공진 주파수는 더 이상 일치하지 않기 때문이다.

그밖에 예비 자기화의 제거는, 자기장의 변동이 다만 비교적 적은 밴드 길이의 변동을 초래하도록 영향을 미침으로써, 결과적으로 예비 자기화 없이 신호 레벨도 현저하게 감소된다.

결과적으로 2개의 팩터 모두는, 예비 자기화 필드의 제거시 밴드의 기계적인 진동이 중단되게 한다. 예비 자기화 필드를 제거함으로써 또한 상기 재료로 이루어진 디스플레이 장치를 비활성화할 수도 있다.

이것은 디스플레이 장치에서 예를 들어, 연자성 밴드와 결합된 반 하드 페라이트(half hard ferrite) 추가 밴드를 탈자기화함으로써 달성된다. 예비 자기화 필드가 하나의 코일로부터 검사 범위에서 함께 형성되는 다른 시스템에서는, 상기 예비 자기화 필드를 차단함으로써 진동이 중단될 수 있다.

WO 88/01427호에는, 하나 이상의 활성화된 디스플레이 장치가 안전 범위내에 존재하는지 존재하지 않는지의 여부 뿐만 아니라, 안전 범위내에 존재하는 활성화된 디스플레이 장치 및/또는 상기 장치의 동일성의 개수도 확인될 수 있는 자기 탄성 베이스상에 있는 상품 안전화 장치가 기술되어 있다. WO 88/01427호에는 또한, 자기 탄성 디스플레이 장치를 사용하는 경우에는 동일화가 실제로 안전화 범위내에서의 다수의 공진 주파수의 존재 여부가 조회되는 것에 기초한다는 사실이 기술되어 있다. 디스플레이 장치 자체내에서는 언제나 외부 필드의 투사가 밴드의 종축상에 작용하기 때문에, 이것은 밴드의 상이한 방향 설정의 검출을 가능하게 한다. 그럼으로써, 예를 들어 디스플레이 장치내에서의 밴드의 상이한 방향 설정에 의해서 각각의 물체가 개별적으로 표시되고 또한 공간적으로 분석될 수 있다.

WO 90/03652호에는 또한, 철 이외에 실제로 니켈을 함유하며 자기 변형도가 높은 합금이 공지되어 있으며, 서문에 언급된 방식의 디스플레이 장치를 위해서 제안되어 있다. 그러나 상기 합금은 예비 자기화 필드를 갖는 공진 주파수의 강한 변동을 갖지 않으며, 또한 동시에 높은 신호 진폭 및 우수한 품질 계수도 갖지 않는다. 그러한 합금으로 이루어진 밴드를 포함하는 디스플레이 장치가 외부 여기의 차단 후에 신호의 다만 짧은 사후 펄스 진동만을 가짐으로써, 결과적으로 디스플레이 장치의 검출 능력은 강하게 제한된다.

본 발명은, 무정형 강자성 재료로 구성되고 장타원형이며 연성인 하나 이상의 자기 변형 밴드로 이루어지며, 상기 밴드는 예비 자기화 필드의 변형에 의해 공진 주파수의 변동을 경험하고, 공진 주파수(f_r)에서 길이 방향의 기계적인 공명 진동을 일으키는 교번 자장에 의해서 여기될 수 있으며, 공명 진동으로부터 결과되는 기계적인 장력이 밴드의 자기화 변동 및 그에 따라 교번 자장의 검출 가능한 변동을 초래하도록 구성된, 자성의 상품 모니터링 시스템에 사용하기 위한 디스플레이 장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 밴드의 B-H-루우프이며,

도 2는 예비 자기화되는 필드(H)의 함수로서의 공진 주파수(f_r)이고,

도 3은 본 발명에 따른 밴드를 위한 신호 진폭의 전형적인 공진 특성 곡선이며,

도 4는 교번 자장 여기의 차단 후의 공진 진폭의 시간적인 변화도이고,

도 5는 예비 자기화되는 필드(H)에 의존하는 품질 계수(Q)이며,

도 6은 여기되는 교번 자장의 차단 후의, 예비 자기화되는 연속 필드의 함수로서의 공진 진폭(2msec)이고,

도 7은 예비 자기화되는 연속 필드의 함수로서의 공진 주파수의 변화도이며,

도 8은 예비 자기화되는 필드(H)가 강도(ΔH_Bias= 40 A/m)의 저주파 교번 자장으로 모듈화된 후의, 공진 주파수의 변동을 나타낸 변화도이다.

본 발명의 목적은, 여기 필드의 차단 후에 높은 신호 진폭 및 신호의 긴 유지, 예비 자기화되는 필드 강도에 대한 공진 주파수의 적은 의존도 및 그와 동시에 밴드의 안전한 비활성화 가능성, 그리고 높은 품질 계수가 존재하도록, 서문에 언급된 방식의 디스플레이 장치를 더욱 개발하는 것이다.

상기 목적은 본 발명에 따라, 재료가 포화의 범위까지 가급적 선형으로 진행되는 평탄한 B-H-루우프를 가지며, 상기 재료의 밴드가 밴드 종방향에 대해서 횡으로 자성의 비등방성을 가지고, 이 비등방성 필드 강도가 예비 자기화 필드 강도보다 더 크며, 예비 자기화 필드 강도의 변동과 관련한 밴드의 공진 주파수의 변동이 df_r/dH_Bias≥ 1,500 HZ/Oe, 바람직하게는 df_r/dH_Bias≥ 2,000 HZ/Oe이고, 이 경우 상기 밴드가 필드 범위(dH_BIAS≥ 1 Oe)에서 Q ≥ 100의 품질 계수를 가짐으로써 달성된다.

상기 방식의 디스플레이 장치를 사용함으로써, 예비 자기화되는 필드를 갖는 공진 주파수의 강한 변동이 보장될 뿐만 아니라, 그와 동시에 높은 신호 진폭 및 우수한 품질 계수도 보장된다. 다시 말해서, 외부 여기의 차단 후에도 신호의 매우 긴 사후 펄스 진동이 보장된다.

또한 상기 재료의 사용은 하기에서 자세히 설명되는 추가의 큰 장점을 갖는다.

본 발명의 바람직한 실시예는 종속항의 대상이다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참조하여 하기에서 자세히 설명된다.

디스플레이 장치의 핵심은, 길이 방향의 기계적인 공명 진동을 일으키는 자성의 교번 자장에 의해서 여기되는, 하나 이상의 강자성 자기 변형 밴드이다. 자기 변형 커플링으로 인해, 진동과 연관된 기계적인 장력은 자기화 변동을 야기하며, 이 자기화 변동이 수신 코일내에서 상응하는 장력을 유도함으로써 디스플레이 장치가 지시될 수 있다. 도 3은 유도된 상기 장력의 공명 형태의 과상승을 여기되는 교번 자장의 주파수 함수로서 도시한다.

공명 과상승에 의한 신호 증폭 이외에 상기 자기 탄성 상품 안전 장치의 결정적인 추가 장점은, 외부 여기의 차단 후에도 기계적인 진동 및 그와 관련하여 유도되는 장력이 계속 존재한다는 점이다.

신호는 통상적으로 소수 msec를 유지한다. 도 6은 상기 특성에 대한 개략적인 도시를 제공한다. 이것은 많든 적든간에 유일 무이한 특징이며, 예를 들어 캐리어 카 및 다른 자성 물체에 의해 가능한 에러 경고를 절대적인 최소값으로 줄여준다. 여기되는 자성 필드가 수신 코일내에서 마찬가지로 장력을 유도하기 때문에, 상기 장애 배경이 없어지는 경우에는 본 장치의 감도가 상승될 것은 명백하다.

단축의 자성 비등방성이 밴드 종방향에 대해 횡으로 나타나도록 자기장내에서 열처리되는 니켈 및/또는 코발트가 첨가된, 철을 기재로 하는 자기 변형 합금으로부터 출발된다. 디스플레이 장치용 밴드는 통상적으로 신속 응고를 이용하여 용융물로부터 부어지며, 그 후에 자기장내에서 밴드 방향에 대해 횡으로 (횡필드) 열처리된 다음에 커팅된다.

열처리는 연속 흐름으로 실행되는 것이 바람직하며, 연속 흐름의 속도는, 밴드가 열처리 시간(0.5sec ≤ T ≤ 30sec) 동안 300℃ ≤ T ≤ 440℃의 온도까지 가열되도록 선택된다.

하기에서는 상이한 비등방성 필드 강도를 갖는, 3가지의 예로든 합금에 대해 기대되는 자기 탄성 특성이 조사되었다. 이를 위해서 기본이 되는 합금 및 1차 재료 파라미터는 표 1 및 2에서 요약된다.

표 1:

검사된 3가지 경우의 예에 대한 재료 파라미터. 주어진 비등방성 필드를 세팅하기 위한 전형적인 열처리는 약 소수의 초에서 300℃ 내지 400℃의 온도 범위에 놓인다.

경우	합금(at%)	Ｊ_S(T)	λ_S(ppm)	Ε_S(GPa)	Η_K(A/m)
A	Fe₈₁Si_3.5B_13.5C₂	1.58	35.6	183	146
B	Fe₆₂Ni₂₀Si₂B₁₆	1.44	32.5	169	360
C	Fe₆₂Ni₂₀Si₂B₁₆	1.44	32.5	169	510

표 2:

검사된 경우의 예에 대한 샘플 치수 및 여기 조건

밴드 길이: 60 ㎜

밴드 폭: 2 ㎜

밴드 두께: 25 ㎛

교번 자장: H_ac= 1 A/m

픽-업-코일: 100 와인딩

도 1은 열처리 후에 나타나는 것과 같은 전형적인 B-H-루우프를 보여준다.

도 2는 공진 주파수의 파형을 예비 자기화되는 외부 필드의 함수로서 보여준다. 공진 주파수의 가장 강한 변동은 예 A에서의 작은 비등방성 필드로 인해 나타나기 때문에, 상기 비등방성 필드가 위에서 언급된 요구 조건을 최상으로 충족한다. 이 경우에는, 도 2에 나타난 특성으로 인해 또한 자기 탄성 적용을 위해서도 매우 바람직한 것으로 증명된 합금 Fe₈₁Si_3,5B_13.5C₂가 사용된다.

그러나 작은 비등방성 필드 및 유효 탄성 모듈의 높은 변동이 예비 자기화(ΔE-효과)에 의해서 또한 기계적인 진동의 강한 감쇠를 초래하기 때문에, 도 3에서 알 수 있는 바와 같은 공명 곡선의 매우 큰 반도체 폭이 나타나거나, 또는 도 4에 도시된 바와 같이 공명 진폭의 매우 신속한 쇠퇴가 여기되는 교번 자장의 차단 후에 나타난다. 2가지 효과는 단점으로 작용한다.

공명 곡선의 큰 절반쪽 폭(Δf_r)은 정확한 공진 주파수의 해체를 어렵게 한다. 상이한 공진 주파수를 갖는 다수의 밴드가 존재하면, 상기 밴드를 확실하게 구별할 수 있기 위해서, Δf_r의 값이 큰 경우에는 각각의 밴드의 개별적인 공진 주파수가 서로로부터 멀리 떨어져 있어야 한다. 그럼으로써, Δf_r를 갖는 밴드의 배열과 관련하여 코딩 가능성의 수가 자연히 감소된다. 즉, 높은 품질 계수(Q)가 얻어진다. 전술한 2개의 값은 하기식을 통해서 관계를 갖는다.

Δf_r= f_r/Q

정확한 관계는 RM Bozorth, Ferromagnetism, Van Nostrant, Princeton, 1951, Pages 699 이하에서 알 수 있다.

여기되는 필드의 차단 후에 이루어지는 신호 진폭의 신속한 쇠퇴는 밴드의 안전한 검출을 어렵게 한다. 쇠퇴 시간(τ), 즉 상기 시간 후에 신호가 그것의 원래의 값의 1/e-부분으로 쇠퇴되는 시간은 하기의 관계식을 통해 품질 계수와 관련된다.

Q = πf_rτ

시간의 함수로서의 공명 진폭에 대해서는 하기식이 얻어진다.

V(t)∼Q{1-[f_r(H)/f_r(0)]²} exp(-πf_rt/Q)

도 5는 상이한 실시예의 품질 계수(Q)를 예비 자기화되는 필드의 함수로서 보여준다. 매우 작은 필드 강도는 별도로 하고, 경우 A에서는 품질 계수(Q)가 매우 작은 반면, 2개의 다른 실시예는 훨씬 더 우수한 질을 보이기 때문에 적용의 제 2요구를 훨씬 더 우수하게 충족시킨다.

이것은 특히 여기되는 외부 필드의 차단 후에 공명 진폭내에서도 물론 나타난다. 따라서, 경우 A에서는 예비 자기화되는 필드의 매우 작은 범위에서만 검출 가능한 합리적인 신호가 나타나는 반면, 경우 B 및 C에서는 넓은 필드 범위에 걸쳐서 높은 신호 진폭이 나타난다.

다만 신호 진폭 또는 품질 계수가 충분히 높은 공진 주파수만이 우수하게 검출될 수 있다는 사실은 분명하다. 그래서 도 7에는 다만 그 경우에 해당되는 공진 주파수만이 도시된다. 이 경우 선택 기준으로서는, 품질 계수가 Q ≥ 100에 달하거나 또는 신호 진폭(2msec)이 교번 자장의 여기의 차단 후에 50% 이상 만큼 그것의 최대값 이하로 떨어져서는 안된다는 사실이 정해진다. 전술한 2가지 요구들은 매우 작은 예비 자기화 필드 강도 밖에서는 대략 동일한 의미를 가지며, 이 경우에는 지나치게 작은 ΔE-효과로 인해 합리적인 자기 탄성 커플링이 더 이상 이루어질 수 없다.

언급된 주파수 변동이 가급적 작은 필드 강도 변동에 의해서 야기된다는 사실은 추가의 요구 사항이다. 그와 상응하게 도 8에는, 예비 자기화되는 연속 필드가 저주파의 교번 자장(ΔH)에 의해 모듈화되는 경우의 주파수 변동이 도시되어 있다. 도면에 따르면, 이 경우에 선택된 조건에서는 실시예 B가 가장 강한 주파수 변동을 나타낸다.

코일을 통해서는 예비 자기화되는 전체 필드가 제공될 필요가 없고, 오히려 다만 모듈화 필드(ΔH)만 제공되면 된다. 예비 자기화 필드의 스태틱 베이스부는 바람직하게, 주파수 변동의 최대값에 도달되도록 하기 위해서 자기화된 하드 페라이트 밴드를 통해 제공된다 (도 8).

나타난 바람직한 공명기 특성은 주로 합금 조성의 선택에 의해서 및 합금에서 이루어지는 열처리의 선택에 의해서 세팅된다. 얻고자 하는 특성을 위해 결정적으로 중요한 것은 물론, 높은 자기 변형(λ₆∼ 20 내지 50x10^-6) 및 비등방성 필드 강도(H_K)의 명확한 값이다. 비등방성 필드 강도를 선택하기 위해서는 H_K∼ 200 내지 800 A/m의 범위가 바람직한 것으로 나타났다.

실시예에 사용된 밴드 치수, 즉 ∼60mm의 밴드 길이, ∼2mm의 폭도 마찬가지로 서문에 언급한 방식의 상품 보호 시스템에 디스플레이 장치를 사용하는 경우에 장점이 된다. 특히 밴드의 각도 방향 설정을 평가하고자 하는 경우에는, 밴드 폭에 대한 밴드 길이의 비가 작은 경우보다 가급적 큰 것이 더 유리하다.

합금 조성, 즉 문제가 되는 비정질 강자성의 철을 기재로 하는 합금의 정확한 조성은 독일 실용 신안 94 12 456호 및 유럽 특허 공개 0 702 096호와 관련하여 기술되며, 따라서 상기 출원서의 대상은 본 특허 출원과 명백히 관련이 있다.

Claims

무정형 강자성 재료로 구성되고 장타원형이며 연성인 하나 이상의 자기 변형 밴드로 이루어지며,

상기 밴드는 예비 자기화 필드(H_Bias)의 변형에 의해 공진 주파수의 변동(df_r/dH_Bias)을 경험하고, 공진 주파수(f_r)에서 길이 방향의 기계적인 공명 진동을 일으키는 교번 자장에 의해서 여기될 수 있으며,

공명 진동으로부터 결과되는 기계적인 장력이 밴드의 자기화 변동 및 그에 따라 교번 자장의 검출 가능한 변동을 초래하도록 구성된, 자성의 상품 모니터링 시스템에 사용하기 위한 디스플레이 장치에 있어서,

상기 재료는 포화의 범위까지 가급적 선형으로 진행되는 평탄한 B-H-루우프를 가지며,

상기 재료의 밴드는 밴드 종방향에 대해서 횡으로 자성의 비등방성을 가지고, 상기 비등방성 필드 강도(H_aniso)는 예비 자기화 필드 강도(H_Bias)보다 더 크며,

예비 자기화 필드 강도의 변동과 관련한 공진 주파수의 변동은 df_r/dH_Bias≥ 1,500 HZ/Oe이며, 이 때 상기 밴드는 필드 범위(dH_BIAS≥ 1 Oe)에서 품질 계수(Q ≥ 100)를 갖는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
제 1항에 있어서,

비정형의 강자성 재료가 20 ppm ≤ λ_S≤ 40 ppm의 포화 자기 변형 및 200 A/m ≤ H_aniso≤ 800 A/m의 비등방성 필드 강도를 갖는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

비정형의 강자성 재료가 하기 일반식으로 이루어진 조성을 가지며,

Fe_aCo_bNi_cSi_dB_eM_f

상기 식에서 M은 III_A그룹 내지 V_A그룹 및/또는 III_B그룹 내지 V_B그룹 중의 적어도 하나의 원소이고, a 내지 f는 원자%로 지시되며, a+b+c〈88 및 12≤d+e+f≤21의 비율을 갖는 하기의 조건,

20≤a≤74, 1≤b≤8, 1≤c≤50, 0≤d≤10 ≤20, 0≤f≤5을 만족하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
a) 비정형의 강자성 밴드를 용융물로부터 주조하는 단계;

b) 상기 밴드를 자기장내에서 밴드 방향에 대해서 횡으로(횡필드) 열처리하는 단계;

c) 상기 밴드를 커팅하는 단계를 포함하는, 제 1항에 따른 디스플레이 장치를 제조하기 위한 방법.
제 4항에 있어서,

상기 열처리를 연속 흐름으로 실행하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 5항에 있어서,

밴드가 열처리 시간(0.5sec ≤ T ≤ 30sec) 동안 300℃ ≤ T ≤ 440℃의 온도까지 가열되도록 상기 연속 흐름의 속도를 선택하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 4항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,

열처리 동안 B-H-루우프를 측정하며, 상기 열처리 시간 및/또는 연속 흐름 속도 및/또는 온도를 재조정하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 4항에 있어서,

단계 a) 전에 비정형의 강자성 재료의 조성을 제조될 밴드의 폭과 관련하여 조절하는 것을 특징으로 하는 방법.