PL181020B1

PL181020B1 - Urządzenie do wywoływania odzewu magnetycznie zakodowanego znacznika

Info

Publication number: PL181020B1
Application number: PL96341024A
Authority: PL
Inventors: Andrew N. Dames
Original assignee: Flying Null Ltd
Priority date: 1995-04-04
Filing date: 1996-04-03
Publication date: 2001-05-31
Also published as: MX9707744A; EP0834091B1; JP3647462B2; BR9604784A; US6144300A; NO974587L; PL181046B1; CN1185210A; HK1003907A1; JPH11504447A; NO974587D0; HUP9802671A3; TW329001B; PL181016B1; AU716803B2; GB9506909D0; HUP9802671A2; US6323770B1; US6323769B1; CN1153984C

Abstract

1. Urzadzenie do wywolywania odzewu magnetycznie zakodowanego znacznika, znam ienne tym , ze jest zaopatrzone w srodki wytwarzajace pole magnetyczne zawierajace pierwszy obszar w którym skladowa pola magnetycznego rozlozona w pierwszym kierunku jest zerowa, przy czym w obszarach sasiadujacych z tym pierwszym obszarem skladowa pola m agnetycznego rozlozona w tym pierwszym kierunku jest w ystarczajaca do nasycenia przynajmniej czesci znacznika, a ponadto urzadzenie posiada uklad elektryczny, który zawiera zródlo sygnalu o czestotliwosci 2 f i zespól wyjsciowy zapew- niajacy elektryczny sygnal wyjsciowy, przy czym wspomniane zródlo jest sprzezone z zespolem wyjsciowym przez zespól dzielacy przez dwa czestotliwosc sygnalu zródlowego, pierwszy filtr eliminujacy sygnal o czestotliwosci 2f, zespól obwodów strojonych, dostrojonych do czestotliwosci f i zawierajacy cewke nadawcza przystosowana do prom ieniow ania energii w kierunku magnetycznie zakodowanego znacznika, umiesz- czonego w obszarze oddzialywania promieniowanej energii, oraz cewke odbiorcza do odbioru energii promieniowanej przez znacznik w odpowiedzi na odebrana energie, oraz drugi filtr elim inujacy sygnal o czestotliwosci f i przepuszczajacy sygnal o czestotliwosci 2f, przy czym zespól wyjsciowy jest dostoso- wany do wyprowadzenia sygnalu wyjsciowego zaleznego od amplitudy sygnalu wyjsciowego drugiego filtru i róznicy fazy pomiedzy zródlem i wyjsciem drugiego filtru, a ponadto srodki wytwarzajace pole magnetyczne sa polaczone z cewkami nadaw cza i odbiorcza, przy czym magnetycznie zakodowany znacznik przemieszczajacy sie przez pierwszy obszar jest przystosowany do oddzialywania wzajemnego z tymi cewkami, nadawcza i odbiorcza. Fig . 8 PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do wywoływania odzewu magnetycznie zakodowanego znacznika, z wykorzystaniem właściwości magnetycznych w praktycznych zastosowaniach, w szczególności do przestrzennego wywoływania do odzewu za pomocą pola magnetycznego przy wykorzystaniu znacznika magnetycznego stanowiącego wyróżnik identyfikacyjny.

Termin znacznik i wyróżnik mogą być używane zamiennie, a wspomniane rozwiązania mogą być używane w wielu różnych zastosowaniach i, w zależności od magnetycznych właściwości urządzenia, służą jedynie do wyznaczania obecności znacznika i w związku z tym przedmiotu, do którego znacznik jest przymocowany, albo do identyfikacji znacznika i w związku z tym przedmiotu, do którego znacznik jest przymocowany, ale mogą również służyć do wyznaczania dokładnej pozycji znacznika w założonym układzie współrzędnych i w związku z tym przedmiotu, do którego znacznik jest przymocowany, albo mogą dostarczać kody dostępu, na przykład do stosowania w sytuacjach wymagających zabezpieczeń, albo do utrzymywania systemu biletów, na przykład w sieciach transportu publicznego, albo mogą ogólnie służyć do wyróżniania jednego lub zbioru artykułów spośród innych artykułów.

Rozwiązania według wynalazku znajdują wiele zastosowań. Są to na przykład inwentaryzacja, system biletów, systemy sprzedaży automatycznej, monitorowanie postępu pracy, oznaczanie zabezpieczające, kontrola dostępu, zabezpieczenia przeciwkradzieżowe oraz systemy lokalizacji obiektów, w szczególności precyzyjne ustawianie elementów roboczych, jak na przykład sond w chirurgii.

Znane są systemy znacznikowe z danymi pasywnymi. Najbardziej rozpowszechnione są systemy odczytu drukowanych wzorów linii, nazywanych powszechnie kodem paskowym. Element znacznikowy w takich systemach cechuje się bardzo małym kosztem, gdyż składa się po prostu z papieru i tuszu. Czytniki są również względnie mało kosztowne i zazwyczaj wykorzystują przeszukujące wiązki laserowe. W wielu głównych zastosowaniach kodów paskowych jedyną ich wadą jest potrzeba liniowego ustawienia znacznika i czytnika.

W zastosowaniach, gdzie takie ustawienie jest niemożliwe, nie wykorzystuje się optycznej transmisji. Najbardziej popularne jest stosowanie indukcji magnetycznej zapewniającej sprzężenie pomiędzy znacznikiem i elektronicznym urządzeniem wywołującym do odzewu. Ich współpraca odbywa się w zmiennych polach magnetycznych w zakresie częstotliwości od 50 kHz do 1 MHz, przy czym powszechnie wykorzystywane są układy scalone (chipy) do obsługi odbioru i przesyłania oraz do zapewniania zapamiętywania danych i zarządzania nimi. W celu uniknięcia potrzeby wykorzystywania baterii, zasilanie dla układu scalonego jest uzyskiwane poprzez prostowanie sygnału zapytania odebranego z cewki antenowej. W celu zwiększenia przesyłanej mocy oraz zapewnienia rozróżniania niepożądanych sygnałów oraz interferencji sygnałów, cewka jest poddawana rezonansowi przy wykorzystaniu pojemności, o częstotliwości równej częstotliwości nośnej sygnału wywołania. Typowym produktem tego typu jest system TIRIS wytwarzany przez Texas Instruments Ltd.

Inne systemy znacznikowe z danymi wielobitowymi znajdują zastosowanie w klasycznych technologiach radiowych w.cz., albo w technologiach opartych na powierzchniowych falach akustycznych lub zjawisku magnetostrykcji.

Urządzenie do wywoływania odzewu magnetycznie zakodowanego znacznika, według wynalazku charakteryzuje się tym, że jest zaopatrzone w środki wytwarzające pole magnetyczne zawierające pierwszy obszar, w którym składowa pola magnetycznego rozłożona w pierwszym kierunku jest zerowa, przy czym w obszarach sąsiadujących z tym pierwszym obszarem składowa pola magnetycznego rozłożona w tym pierwszym kierunku jest wystarczająca do nasycenia przynajmniej części znacznika. Ponadto urządzenie posiada układ elektryczny, który zawiera źródło sygnału o częstotliwości 2f i zespół wyjściowy zapewniający

181 020 elektryczny sygnał wyjściowy, przy czym wspomniane źródło jest sprzężone z zespołem wyjściowym przez zespół dzielący przez dwa częstotliwość sygnału źródłowego, pierwszy filtr eliminujący sygnał o częstotliwości 2f, zespół obwodów strojonych, dostrojonych do częstotliwości f i zawierający cewkę nadawczą przystosowaną do promieniowania energii w kierunku magnetycznie zakodowanego znacznika, umieszczonego w obszarze oddziaływania promieniowanej energii, oraz cewkę odbiorczą do odbioru energii promieniowanej przez znacznik w odpowiedzi na odebraną energię, oraz drugi filtr eliminujący sygnał o częstotliwości f i przepuszczający sygnał o częstotliwości 2f. Zespół wyjściowy jest dostosowany do wyprowadzenia sygnału wyjściowego zależnego od amplitudy sygnału wyjściowego drugiego filtru i różnicy fazy pomiędzy źródłem i wyjściem drugiego filtru. Ponadto środki wytwarzające pole magnetyczne są połączone z cewkami nadawczą i odbiorczą przy czym magnetycznie zakodowany znacznik przemieszczający się przez pierwszy obszar jest przystosowany do oddziaływania wzajemnego z tymi cewkami, nadawczą i odbiorczą.

Korzystnym jest, że znacznik magnetyczny ma podłoże, w którym znajduje się zbiór dyskretnych, magnetycznie aktywnych obszarów rozmieszczonych w przynajmniej jednym liniowym układzie, przy czym aktywne magnetycznie obszary są utworzone z cienkiej błony lub wirowo wytapianego materiału mającego uprzywilejowaną oś magnetyzacji, a uprzywilejowane osie magnetyzacji poszczególnych układów liniowych są ustawione liniowo z każdym układem liniowym.

Korzystnym jest, że aktywne magnetycznie obszary znacznika i/lub przestrzenie między nimi są niejednolite.

Korzystnym jest, że uprzywilejowane osie magnetyzacji magnetycznie aktywnych obszarów znacznika są utworzone przez wzdłużnie wyżarzanie wytapianego wirowo materiału.

Korzystnym jest, że dyskretne, aktywne magnetycznie obszary znacznika magnetycznego są utworzone z ciągłego obszaru magnesowalnego materiału, którego dyskretne obszary są namagnesowane oraz utworzona jest jedna lub więcej przestrzeni pomiędzy tymi aktywnymi magnetycznie obszarami.

Korzystnym jest, że znacznik posiada dwa rozmieszczone prostopadle liniowe układy magnetycznie aktywnych obszarów.

Korzystnym jest, że znacznik magnetyczny ma postać względnie długiego, cienkiego paska, którego uprzywilejowana oś magnetyzacji przebiega wzdłuż jego długości.

Korzystnym jest, że każdy z aktywnych magnetycznie obszarów znacznika magnetycznego ma taki sam kształt i rozmiar.

Korzystnym jest, że odstępy między każdym z magnetycznie aktywnych obszarów są jednakowe.

Korzystnym jest, że odstępy między każdym z magnetycznie aktywnych obszarów są niejednakowe.

Rozwiązanie według wynalazku przewiduje zastosowanie nowego typu systemu znacznikowego z danymi pasywnymi, który wykorzystuje małe ilości materiału magnetycznego o bardzo wysokiej przenikalności oraz przeszukujące pole magnetyczne służące do wywoływania do odzewu. Ponieważ materiał magnetyczny może mieć postać cienkiej folii, drutu lub błony, zostaje on przyklejony bezpośrednio do podłożą na przykład papieru lub tworzywa sztucznego, tak że powstają znaczniki samodzielne.

Alternatywnie, materiał magnetyczny zostaje wbudowany w strukturę przedmiotu, z którym związany jest dany znacznik. W takim przypadku znacznik jest uformowany bezpośrednio w tym przedmiocie poprzez nałożenie materiału magnetycznego na powierzchnię przedmiotu, lub osadzenie materiału magnetycznego w jego wnętrzu.

Wynalazek wykorzystuje pola magnetyczne, które zawierają tak zwane „zero magnetyczne”, przy czym termin ten oznacza w niniejszym przypadku punkt, linię, płaszczyznę lub przestrzeń, przy lub w której, składowa pola magnetycznego w danym kierunku liniowym wynosi zero. Część przestrzeni, w której ten warunek jest spełniony, może być bardzo mała, co prowadzi do przykładów wykonania wynalazku, które zajmują się precyzyjnym wyznaczaniem pozycji. Zazwyczaj zero magnetyczne jest rozmieszczone na względnie małym liniowym zakresie. Oczywiście, gdy występuje zero magnetyczne, składowa pola magnetycznego

181 020 w kierunku prostopadłym do danego kierunku liniowego jest znacząca. W pewnych przykładach wykonania wynalazku takie znaczące, prostopadłe pole jest pożądane.

Jednym ze sposobów wytwarzania zera magnetycznego jest wykorzystanie źródeł przeciwnego pola magnetycznego. Mogą być nimi cewki prądowe wykonane z drutu, lub magnesy trwałe, które są szczególnie dostosowane do systemów o małej skali, albo kombinacja jednej lub więcej cewek z jednym lub więcej trwałymi magnesami. Możliwe jest również wykorzystywanie zer magnetycznych, które istnieją w pewnych specyficznych kierunkach, w przypadku, gdy zastosowana jest pojedyncza cewka lub trwały magnes. W zastosowaniach o dużej skali, źródła pola magnetycznego są korzystnie cewkami prądu stałego. Wynalazek wykorzystuje również względny ruch pomiędzy znacznikiem magnetycznym i przyłożonym polem magnetycznym, dla wykonania przejścia znacznika nad zerowym obszarem pola magnetycznego. Jest to uzyskane poprzez przesuwanie znacznika względem przyłożonego pola magnetycznego, albo poprzez utrzymywanie znacznika w nieruchomym położeniu, podczas gdy pole magnetyczne nad nim jest przeszukiwane. Mówiąc ogólnie, wynalazek wykorzystuje różnicę pomiędzy magnetycznym zachowaniem znacznika w polu zerowym (przy zerze magnetycznym), oraz w silnym, generalnie nasycającym polu magnetycznym.

Magnetyczny znacznik posiada liczne, dyskretne, aktywne magnetycznie obszary w układzie liniowym, które są umieszczone na podłożu, na przykład papierze lub materiale z tworzywa sztucznego, lub mogą utrzymywać się samodzielnie. Alternatywnie, elementy magnetyczne są osadzone bezpośrednio w lub na wyrobach w czasie ich wytwarzania. Jest to odpowiednie, na przykład gdy wyroby są towarami detalicznymi, które zawierają znaczniki dla inwentaryzacji, albo gdy wyroby są biletami lub zabezpieczonymi przepustkami.

Taki znacznik może być również formowany z ciągłego paska materiału o wysokiej przenikalności, którego dyskretne obszary którego mają trwale lub czasowo zmienione własności. Taki proces może być wykonywany na pasku o wysokiej przenikalności, którego wybrane obszary są w taki sposób przetwarzane, by zmodyfikować ich własności magnetyczne, z reguły poprzez usunięcie lub zmniejszenie ich przenikalności magnetycznej, albo na pasku z materiału o wysokiej przenikalności, któremu towarzyszy magnesowalny pasek umieszczony w pobliżu materiału o wysokiej przenikalności magnetycznej, na przykład nakładający się na niego lub sąsiadujący z nim, przy czym wybrane obszary tego paska są namagnesowane. W pewnych rozwiązaniach według wynalazku, każdy aktywny magnetycznie obszar ma te same własności magnetyczne, a w innych, bardziej złożonych, każdy aktywny magnetycznie obszar może posiadać różne własności magnetyczne, przez co możliwe jest składanie razem dużej liczby znaczników, z których każdy ma unikalne własności magnetyczne, przez co jego sygnatura jest w sposób unikalny identyfikowana, na przykład w czasie przetwarzania przy pomocy odpowiedniego urządzenia odczytującego.

Ponieważ wynalazek wykorzystuje względny ruch pomiędzy znacznikiem i przykładanym polem magnetycznym, istnieje zależność pomiędzy dziedziną czasu sygnałów wyjściowych z urządzenia odczytującego znacznik i liniowymi wymiarami magnetycznie aktywnych obszarów znacznika i przestrzeni pomiędzy magnetycznie aktywnymi obszarami. W tym znaczeniu, obszary aktywne i wolne przestrzenie między nimi pracują analogicznie do elementów optycznego kodu paskowego w postaci czarnych pasków z umieszczonymi między nimi białymi przestrzeniami. Z tego wynika, że podobnie jak zmienność własności magnetycznych w obszarach aktywnych jest użyta do wytwarzania identyfikatora znacznika, to analogiczną rolę pełni odpowiedni układ sąsiednich, aktywnych magnetycznie obszarów.

Znane są dogodne sposoby wytwarzania znaczników w produkcji klasycznych etykiet, to znaczy magnetycznych znaczników. Znane są również i powszechnie dostępne odpowiednie materiały magnetyczne. Są to materiały o dużej przenikalności, które charakteryzują się względną przenikalnością przynajmniej 10 . Koercyjność materiału magnetycznego zależy od przeznaczenia znacznika. Materiał magnetyczny ma korzystnie postać długiego cienkiego paska lub cienkiej błony, a w tych postaciach unika się problemów związanych z wewnętrzną demagnetyzacją. Odpowiednie materiały paskowe są łatwo dostępne u komercyjnych dostawców, takich jak Vaccumschmeltze (Niemcy); Allied Signal Corp. (USA) i Untika (Japonia). Cienki materiał w postaci błony wytwarzany w dużych ilościach IST (Belgia) do zastosowań

181 020 znaczników w handlu detalicznym jest również odpowiedni do użycia zgodnie z niniejszym wynalazkiem.

Rozwiązanie według wynalazku zapewnia różne użyteczne procesy detekcji obecności magnetycznego znacznika i/lub identyfikacji takiego znacznika. Zapewnia również sposób badania magnetycznego wyróżnika lub znacznika w założonej strefie badania, który to znacznik zawiera materiał o wysokiej przenikalności magnetycznej, na przykład do odczytu danych zapamiętywanych magnetycznie w znaczniku lub do użycia odpowiedzi znacznika dla wykryciajego obecności i/lub wyznaczenia jego pozycji w strefie badania.

Zerowy obszar pola magnetycznego jest odchylany w tę i z powrotem w założonym obszarze w strefie badania. Częstotliwość przeszukiwania, to znaczy częstotliwość odchylania zerowego obszaru pola magnetycznego, jest względnie niewielka, na przykład 1 do 500 Hz. Korzystnie stosuje się taki przebieg pola, że zerowy obszar pola magnetycznego leży w płaszczyźnie, a pole nasycające występuje w sąsiedztwie tej płaszczyzny.

Element magnetyczny ma albo postać wydłużoną, w którym to przypadku zerowy Ob pola magnetycznego rozciąga się wzdłuż głównej osi elementu magnetycznego, albo ma postać cienkiej błony, w którym to przypadku zerowy obszar pola magnetycznego rozciąga się w układzie liniowym, z osią czułości magnetycznej materiału w postaci cienkiej błony.

Pole magnetyczne lub układ pola stosowane w rozwiązaniu według wynalazku mogą być ustanawiane przy pomocy dwóch pól magnetycznych o przeciwnej polaryzacji. Uzyskuje się to w dogodny sposób poprzez zastosowanie jednej lub więcej cewek prądowych, lub poprzez zastosowanie jednego lub więcej trwałych magnesów, lub poprzez zastosowanie kombinacji jednej lub więcej cewek i jednego lub więcej magnesów.

Gdy stosuje się cewkę, może ona przewodzić zasadniczo stały prąd tak, że zerowy obszar pola magnetycznego jest utrzymywany w stałym punkcie. Alternatywnie, cewka (jedna lub więcej) przewodzi prąd, którego natężenie zmienia się w założonym cyklu, w wyniku czego zerowy obszar pola magnetycznego oscyluje w założony sposób. Określono to jako ruchome zero. Podobny układ może być zastosowany dla uzyskania ruchomego zera, gdy używa się zarówno jednej lub więcej cewek, jak i jednego lub więcej trwałych magnesów.

Względny ruch pomiędzy polem magnetycznym i elementem magnetycznym uzyskuje się korzystnie poprzez przyłożenie zmiennego pola magnetycznego o względnie małej amplitudzie do stałoprądowego pola DC. Typowo, taka niska amplituda zmiennego pola magnetycznego ma częstotliwość w zakresie 10 Hz do 100 kHz, korzystnie od 50 Hz do 50 kHz, a najlepiej od 50 Hz do 5 kHz.

Cewki przewodzą zasadniczo stały prąd, przez co zerowy obszar pola magnetycznego jest utrzymywany w ustalonym punkcie, ale możliwa jest taka realizacja wynalazku, w której cewki przewodzą prąd, którego amplituda zmienia się w założonym okresie, tak że zerowy obszar pola magnetycznego oscyluje w założony sposób.

Detekcja odpowiedzi magnetycznej elementu magnetycznego obejmuje obserwację składowych harmonicznych przyłożonego zmiennego pola magnetycznego, które są generowane przez element magnetyczny, gdy stan jego namagnesowania jest zmieniany poprzez przeprowadzanie go przez zerowy obszar pola magnetycznego.

Urządzenie pracuje z polem przeszukującym o zerowej lub bardzo niskiej częstotliwości i wysokiej częstotliwości z zakresu 50 Hz - 50 kHz. Umożliwia to dobrą penetrację sygnału przez większość materiałów, wliczając w to folie metalowe. Ponadto, międzynarodowe regulacje umożliwiają stosowanie dużych pól do transmisji przy tych niskich częstotliwościach.

Korzystne przykłady realizacji wynalazku zapewniają system znacznikowy z danymi wielobitowymi, który wykorzystuje indukcyjne badanie magnetyczne o niskiej częstotliwości oraz unika konieczności stosowania złożonych, drogich znaczników.

Obecnie zostaną wyjaśnione pewne podstawowe aspekty wynalazku z nawiązaniem do względnie prostych przykładów realizacji.

Kluczowym aspektem wynalazku jest kształt pola magnetycznego wytworzonego w strefie badania. Pole to umożliwia badanie bardzo małych obszarów przestrzeni. Zespół do generacji tego pola magnetycznego jest nazywany urządzeniem wywołującym do odzewu. W najprostszej postaci urządzenie wywołujące składa się z pary blisko rozstawionych iden

181 020 tycznych cewek rozmieszczonych w taki sposób, że ich osie są zgodne. Cewki są razem połączone w taki sposób, że kierunki nawijania ich uzwojenia mają przeciwny zwrot, oraz przepuszczany jest przez nie stały prąd DC. Powoduje to powstanie przeciwnych pól magnetycznych na osiach cewek, takich że zerowy obszar pola magnetycznego (zero magnetyczne) powstąje wzdłuż osi cewki, po środku pomiędzy cewkami. Poziom prądu w cewkach jest tak dobrany, żeby silnie nasycać małą próbkę materiału magnetycznego o dużej przenikalności umieszczoną przy środku którejkolwiek z cewek. Zmienny prąd AC o wiele niższej amplitudzie jest przepuszczany w przeciwnych kierunkach przez dwie cewki, tak że powstają zmienne pola AC sumujące się w pół drogi między cewkami. Można to łatwo uzyskać poprzez podłączenie odpowiedniego źródła prądu do połączenia dwóch cewek przy zapewnieniu uziemienia. Częstotliwość zmiennego prądu AC wynosi zazwyczaj około 2 kHz, lecz ta wartość może zmieniać się w szerokim zakresie. Zmienny prąd AC generuje pole badania, które wchodzi w interakcję ze znacznikiem magnetycznym, w wyniku czego generowana jest wykrywalna odpowiedź. Innym efektem zastosowania zmiennego pola AC jest spowodowanie, że zerowy obszar pola magnetycznego (zero magnetyczne) oscyluje w niewielkim zakresie wokół pozycji środkowej wzdłuż osi cewek, przy czym jest to raczej chybotanie lub niewielka oscylacja niż duże wahania.

Ponadto, dodatkowy zmienny prąd AC o niewielkiej częstotliwości może być doprowadzony do cewek, tak by generować pole przeszukujące o niewielkiej częstotliwości. Częstotliwość pola przeszukującego powinna być wystarczająco mała, tak by umożliwiać występowanie wielu cykli pola badającego o względnie dużej częstotliwości w czasie, gdy zerowy obszar pola magnetycznego przechodzi ponad znacznikiem. Zazwyczaj stosunek częstotliwości pola badającego (co_a) do częstotliwości pola przeszukującego (ωΟ wynosi około 100:1, aczkolwiek może on przyjmować wartość ze względnie dużego zakresu w wyniku jakichkolwiek zakłóceń pracy.

Gdy znacznik zawierający element z materiału magnetycznego o wysokiej przenikalności przechodzi wzdłuż osi cewek przez obszar, w którym występuje oscylacja płaszczyzny zerowego obszaru pola magnetycznego, zostanie on początkowo całkowicie nasycony stałym polem magnetycznym DC. Następnie, zostanie wprowadzony w pętlę histerezy w czasie jego przesuwania się przez obszar pola zerowego. W końcu, zostanie on ponownie nasycony. Obszar, w którym materiał magnetyczny jest aktywny, to znaczy poddawany zmianom magnetycznym, jest fizycznie niewielki i jest wyznaczany na podstawie amplitudy stałego pola DC, amplitudy zmiennego pola AC, oraz własności magnetycznych materiału. Ten obszar ma z łatwością długość mniejszą niż 1 mm. Jeśli poziom prądu zmiennego jest znacznie poniżej wymaganego do nasycenia materiału magnetycznego w znaczniku, składowe harmoniczne zmiennego sygnału AC będą generowane w momencie, gdy znacznik wchodzi do obszaru pola zerowego pola badającego i reaguje na zmianę pola. W czasie gdy znacznik wchodzi w wąski obszar pola magnetycznego, znacznik utrzymuje się w liniowej części swej pętli histerezy oraz współpracuje z otoczeniem poprzez odpromieniowanie jedynie podstawowej częstotliwości badania. Następnie, gdy znacznik Opuszcza obszar pola zerowego, ponownie emituje składowe harmoniczne pola częstotliwości badania. Cewka odbierająca czuła na pola wytwarzane przy obszarze pola zerowego, lecz która nie jest bezpośrednio sprzężona z cewką urządzenia wywołującego do odzewu, odbiera jedynie te sygnały. Zmiana tych sygnałów w czasie w miarę przesuwania się znacznika wzdłuż osi cewek precyzyjne wskazanie o przechodzeniu końców materiału magnetycznego przez obszar pola zerowego.

Ponieważ strefa badania może być bardzo wąska, każdy poszczególny element z materiału magnetycznego może być odróżniany od innych, od których dzieli je mała odległość. Odpowiednio, materiał magnetyczny jest tak dobrany, by pasował do konkretnego zastosowania dla którego przewidziany jest znacznik. Odpowiednie materiały magnetyczne są komercyjnie dostępne, jak to już wspomniano.

Biorąc pod uwagę znacznik zawierający pewną ilość stref lub elementów z materiału magnetycznego umieszczonych wzdłuż osi etykiety, to w czasie gdy każda strefa lub element materiału magnetycznego przechodzi przez obszar pola zerowego, wykrywane jest położenie jego końców. Prostą sprawą jest więc regulacja odstępów i długości poszczególnych stref lub

181 020 elementów dla reprezentowania poszczególnych sekwencji kodowych. Możliwe są różne schematy kodowania. Jednym z efektywnych rozwiązań jest użycie schematu kodowania analogicznego do stosowanego w optycznych kodach paskowych, gdzie dane są reprezentowane w postaci odstępów i szerokości linii w kodzie.

Dotychczas opisane rozwiązanie umożliwia badanie znacznika o pojedynczej osi, na przykład przewodu lub cienkiego paska materiału anizotropowego, którego oś magnetyczna przebiega wzdłuż jego długości, gdy fizycznie przesuwa się on przez zestaw cewek. Oczywiście względny ruch pomiędzy znacznikiem i polem badającym może być uzyskany albo przy stacjonarnym polu i ruchomym znaczniku, albo odwrotnie. Jeśli jest to wymagane, można zaplanować układ samoprzeszukujący, dzięki czemu możliwe jest badanie stacjonarnego znacznika, na przykład poprzez modulację prądów sterujących DC w dwóch cewkach urządzenia zapytującego, tak że obszar pola zerowego przegląda odpowiednią część osi cewek. Amplituda tych oscylacji musi być co najmniej równa maksymalnemu wymiarowi znacznika, a korzystnie powinna być znacznie większa, dla uniknięcia potrzeby precyzyjnego ustawiania znacznika w strefie badania.

Poprzez zastosowanie dwóch dodatkowych cewek rozmieszczonych na dwóch osiach prostopadłych do pierwotnych, znaczniki w dowolnej orientacji mogą być odczytywane przez sekwencyjnie przeszukujące pole. Wymusza to znacznie większą złożoność w korelacji sygnałów z trzech płaszczyzn, lecz dzięki możliwej bardzo dużej rozdzielczości przestrzennej możliwy jest odczyt wielu znaczników jednocześnie obecnych we wspólnej przestrzeni badania. Jest to korzystne dla zastosowań takich jak handel detaliczny, przez co możliwe jest na przykład automatyczne sumowanie cen z opakowań w punktach sprzedaży. Tak więc wynalazek znajduje zastosowanie w systemowym etykietowaniu cenami artykułów w punktach sprzedaży, które obliczają sumę sprzedaży, przy lub bez przetwarzania dodatkowych, związanych z inwentaryzacją danych.

Rozmiar prostego, liniowego znacznika zależy od długości poszczególnych elementów, odstępów między nimi i liczby wymaganych bitów danych. Przy stosowaniu pasków materiału o najwyższej przenikalności dostępnych komercyjnie, takich jak folie stopowe wytopu wirowego (typu spin-melt) dostępne u dostawców takich jak Vaccumschmeltze (Niemcy), Allied Signal (USA), minimalna długość poszczególnych elementów, które mogą być stosowane, jest prawdopodobnie rzędu kilku milimetrów. Dzieje się tak, ponieważ zewnętrzna przenikalność jest zdominowana przez współczynniki kształtu, a nie przez bardzo dużą wewnętrzną przenikalność, rzędu 10⁵, przy czym większe długości mogą prowadzić do niewystarczającej przenikalności dla prawidłowego działania.

Z tego powodu, korzystne jest stosowanie bardzo cienkich błon z materiału magnetycznego o wysokiej wewnętrznej przenikalności. Przy założeniu, że jest on bardzo cienki, korzystnie cieńszy niż 1 pm, taki materiał może być cięty na małe, dwuwymiarowe elementy (kwadraty, krążki, itp.), o obszarach 20 mm² lub mniejszych, przy zachowaniu jego przenikalności. Umożliwi to stosowanie krótszych znaczników, niż te, które są możliwe przy użyciu elementów wykonanych z komercyjnie dostępnych folii o wysokiej przenikalności. Odpowiednie materiały w postaci cienkiej błony są dostępne w firmie IST (Belgia).

Rozwinięcie tego typu programowania może być również zastosowane do zapobiegania prowokowaniu alarmu przez złożony znacznik w systemie bezpieczeństwa sprzedaży detalicznej. Taki alarm mógłby być fałszywym wskazaniem kradzieży i byłby kłopotliwy tak dla sprzedawcy, jak i dla kupującego. Jeśli różne obszary znacznika są spolaryzowane z różnymi poziomami pola statycznego, będą wytwarzać sygnały w różnych momentach w czasie przechodzenia przez system bezpieczeństwa sprzedaży detalicznej. Skomplikuje to sygnaturę etykiety w takich systemach i zapobieganie generacji alarmu. Zgodnie z wynalazkiem, urządzenie do odczytu jest w stanie obsłużyć przesunięte w czasie sygnały spowodowane taką magnetyczną polaryzacją.

Jak dotąd kodowanie znacznikowe zostało opisane w odniesieniu do fizycznie oddzielnych elementów magnetycznych. Nie jest jednak konieczne fizyczne oddzielanie elementów. Programowanie danych w znaczniku może być realizowane poprzez niszczenie własności wysokiej przenikalności ciągłego elementu magnetycznego w pewnych jego obszarach. Może

181 020 być to wykonywane na przykład poprzez lokalne ogrzewanie w temperaturze większej od temperatury rekrystalizacji stopu amorficznego, albo poprzez odciskanie lub inne przetwarzanie obrabianego materiału. O wiele większe znaczenie ma zdolność magnetycznego izolowania obszarów ciągłego elementu materiału o wysokiej przenikalności za pomocą wzoru magnetycznego przechowywanego na sąsiednim elemencie polaryzującym wykonanym z materiału magnetycznego o średniej lub dużej koercyjności. Taki złożony znacznik może być łatwo kodowany poprzez zapis magnetycznego wzoru na elemencie polaryzującym przy użyciu odpowiedniej głowicy zapisującej. Jeśli jest to wymagane, znacznik noże być później wyczyszczony, poprzez demagnetyzację w polu AC, i ponownie zapisany nowymi danymi.

Opisany schemat postępowania można również rozciągnąć na operowanie znacznikami danych przechowującymi dane w dwóch wymiarach. Umożliwia to uzyskanie bardziej zwartych znaczników, które mają korzystną postać. Znacznik wykonany z układu N χ N wzorów fragmentów cienkiej błony ma większy potencjał kodowania niż układy liniowe o tej samej ilości fragmentów. Dzieje się tak, ponieważ w danym obszarze można uzyskać bardziej unikalne wzajemne układy fragmentów.

Innym przykładem realizacji wynalazku jest zastosowanie przestrzennego magnetycznego przeszukiwania do detekcji położenia. Oprócz badania przestrzeni w celu odczytu danych znacznika, sposób przesuwania płaszczyzn pola zerowego przez przestrzeń, lub przesuwania obiektów przez te płaszczyzny, jest stosowany do dostarczania precyzyjnej informacji o położeniu małych elementów z materiału o wysokiej przenikalności magnetycznej. Rozwiązanie według wynalazku zapewnia wyznaczanie precyzyjnego położenia obiektu. Jest to szczególnie interesujące, gdy obiekt, którego położenie ma zostać wyznaczone, jest narzędziem chirurgicznym, na przykład sondą chirurgiczną lub igłą. Wynalazek umożliwia precyzyjne wyznaczenie położenia, na przykład chirurgicznej sondy w czasie operacji.

Ten sposób jest idealny dla dokładnego rozmieszczenia bardzo małych znaczników we względnie ograniczonych przestrzeniach. Możliwe jest oddzielne branie pod uwagę wielu znaczników. Cechuje się on również małą czułością na dodatkowe metalowe obiekty.

Znacznik magnetyczny może być amorficznym drutem nierdzewnym, o średnicy 90 mikronów lub mniejszej, o typowej długości rzędu 1 cm, lub większej jeśli jest to konieczne, podobnym do stosowanych w znacznikach EAS, albo może być krótką napylaną katodowo igłą o długości około 1 cm, z cienką warstwą miękkiego materiału magnetycznego.

Przy stosowaniu w okolicy głowy pacjenta, przy użyciu opisywanych znaczników może być uzyskana rozdzielczość 0,1 mm. Dokładność również powinna zbliżać się do tej wartości, jeśli występują pewne warunki dotyczące kalibracji i użycia innych materiałów magnetycznych, przy czym dla optymalnej pracy powinna być użyta sztywna, otwarta struktura w pobliżu głowy. Poziomy stosowanego pola magnetycznego powinny być niższe, niż te generowane przez powszechnie używane magnesy, na przykład w drzwiach szafek kuchennych, itp.

Tego rodzaju rozwiązanie znajduje szczególne zastosowanie w chirurgii mózgu, gdzie wymagana jest lokalizacja położenia sond w trzech wymiarach i z dużą precyzją. Możliwe jest zgodnie z wynalazkiem umieszczanie małych znaczników na takich sondach lub igłach. W tym przypadku, kluczową zaletą jest to, że w danym momencie musi być wykryty i przetworzony jedynie sygnał ze znacznika. Rozdzielczość jest wyznaczana poprzez położenie płaszczyzny pola zerowego, a nie przez stosunek sygnału do szumu w wykrywanym sygnale znacznika. Umożliwia to użycie bardzo małych znaczników.

Czujnik położenia o pojedynczej osi jest korzystnie zrealizowany przez zestaw cewek podobny do już opisanego układu odczytującego. Zawiera on parę przeciwstawnych cewek przewodzących stały prąd DC do wytwarzania gradientu stałego pola DC, zespół do przykładania względnie jednorodnego poziomu zmiennego poła AC do wprowadzania i wyprowadzania znacznika w/z nasycenia w małym obszarze, gdzie stałe pola DC jest bliskie 0, zespół do przykładania względnie jednorodnego stałego pola DC o zmiennym natężeniu i polaryzacji, tak by przesuwać położenie płaszczyzny zerowego pola DC wokół badanej przestrzeni.

Znacznik anizotropowy, to znaczy taki, który posiada uprzywilejowaną oś magnetyzacji, wchodzi w pole magnetyczne wzdłuż jego długości. Taki znacznik może być uzyskany, na przykład, poprzez zastosowanie długiego, cienkiego elementu z materiału magnetycznego lub

181 020 poprzez odpowiednią obróbkę obszaru materiału magnetycznego o znacznie mniejszym wydłużeniu, na przykład poprzez wzdłużne wyżarzanie zasadniczo prostokątnego fragmentu wirowo wytapianego materiału magnetycznego. W przypadku rozważanego czujnika położenia o pojedynczej osi istnieje 5 punktów swobody (x, y, z i dwa kąty - obrót znacznika wokół jego osi nie ma znaczenia). Trzy prostopadłe zestawy cewek mogą przechwytywać wystarczającą ilość informacji poprzez wykonywanie po kolei trzech przeszukiwań jednorodnego stałego pola DC na każdym z trzech zestawów cewek. Daje to w sumie 9 przeszukiwań, które są przedstawione w poniższej tabeli, w której źródła pola magnetycznego są oznaczone jako a, b i c, a przeszukiwania są oznaczone cyframi 1-9, przy czym kolejność przeszukiwania jest bez znaczenia:

Źródło pola prostopadłego	1	2	3	4	5	6	7	8	9
a	wł.	wł.	wł.	wył.	wył.	wł.	wył.	wył.	wł.
b	wył.	wł.	wył.	wł.	wł.	wł.	wył.	wł.	wył.
c	wył.	wył.	wł.	wył.	wł.	wył.	wł.	wł.	wł.

wł. - włączone wył. - wyłączone

Jedyną informacją jaką trzeba uzyskać z każdego przeszukiwania jest położenie środka wyjścia harmonicznych ze znacznika podczas przeszukiwania. Te dziewięć wartości stałego pola DC może być przekształconych na układ współrzędnych χγζ-θ-φ znacznika. Na początku, system jest stosowany jedynie do utrzymywania znacznika w żądanym położeniu zanim głowica jest wsuwana do cewek, a następnie, gdy głowica jest umieszczona w cewkach, znacznik jest przesuwany aż zostaną uzyskane takie same sygnały. Alternatywą dla przeszukiwania sekwencyjnego, która ma tę zaletę, że wymaga krótszego czasu dla przeszukania danego obszaru, jest ciągłe obracanie gradientu pola magnetycznego, tak by przeszukiwać wszystkie istotne kierunki. Może być to zrealizowane poprzez wzbudzenie trzech zestawów cewek przez odpowiednie przebiegi falowe. Na przykład, utworzony będzie odpowiedni obszar przeszukiwania, jeśli płaszczyzny x, y i z są wzbudzane prądami I_x, I_y i I_z określonymi wzorami:

I_x = cos ro_at (A cos o>bt - sin ί%ί cos ro_ct) -sin ro_at cos ro_ct;

I_y = sin ro_at (A cos robt - sin tObt sin ro_ct) -cos ro_at cos ro_ct;

I_z - A sin (Obt + cos a>bt sin ro_ct;

gdzie:

ro_a - całkowita częstotliwość obrotu przyłożonego pola magnetycznego;

rob - częstotliwość przeszukiwania zerowego;

ro_c - częstotliwość badania;

A - współczynnik amplitudy rob : ro_c.

Typowe, lecz niekonieczne wartości tych parametrów to: A = 10; stosunek częstotliwości ro_a : ©b = 1:10; stosunek częstotliwości rob : ro_c - 1:400.

Przedmiot wynalazku zostanie uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia podstawowe części składowe urządzenia do wywoływania odzewu magnetycznie zakodowanego znacznika, fig. 2 - schemat obwodu ilustrujący jeden sposób generacji żądanego układu pola magnetycznego dla rozwiązania z fig. 1, fig. 3 - odpowiedź magnetyczną znacznika odpowiednią dla jego położenia w systemie odczytującym z fig. 1, fig. 4 - miejsca występowania zer magnetycznych przy magnesie trwałym, fig. 5 - przykład realizacji wynalazku, który wykorzystuje cewkę i trwały magnes do generacji żądanego wzoru pola, fig. 6 - przykład realizacji wynalazku wykorzystujący parę trwałych magnesów do generacji żądanego wzoru pola magnetycznego, fig. 7 - przykład realizacji wynalazku wykorzystujący liczne trwałe magnesy rozmieszczone w pierścieniowym układzie w cewce do generacji żądanego wzoru pola magnetycznego, fig. 8 - schemat obwodu przykładu wykonania urzą

181 020 dzenia zapytującego znacznik według wynalazku, fig. 9 - rodzaje znaczników według wynalazku, a fig. 10 przedstawia przykład realizacji wynalazku stosowany w operacjach chirurgicznych.

Na figurze 1 przedstawiony jest schemat układu, w którym znacznik 1 jest umieszczony pośrodku pomiędzy dwiema cewkami Txl i Tx2. Znacznik jest typu pokazanego na fig. 9a, to znaczy jest prostym liniowym znacznikiem zawierającym liczne elementy magnetyczne, z których każdy jest materiałem stopu magnetycznego o wysokiej przenikalności, na przykład wirowo wytapianą taśmą Vaccumschmeltze 6025 o przenikalności wewnętrznej około 10^s. Wartości podane w niniejszym opisie dla różnych parametrów związanych z elementami z fig. 1 mają jedynie charakter przykładu i służą zilustrowaniu korzystnego przykładu realizacji. Wartości tych parametrów muszą się zmieniać w zależności od całkowitego rozmiaru systemu i jego przeznaczenia. Elementy magnetyczne, które tworzą dyskretne, aktywne magnetycznie obszary znacznika, mają rozmiary 10 mm χ 1 mm x 25 pm. Odstępy pomiędzy sąsiednimi elementami wynoszą 1 mm. Dwie cewki są rozstawione w odległości około 20 cm i każda zawiera 450 zwojów drutu miedzianego o średnicy 0,56 mm nawiniętego w układzie kwadratowym, typowo 45 cm x 45 cm. Każda cewka ma oporność 6Ω i induktancję 100 mH. Każda z cewek Txl i Tx2 przewodzi prąd stały I złożony z mniejszym prądem zmiennym i, typowo prąd stały I jest rzędu 3 A, podczas gdy nałożony prąd zmienny i jest rzędu 50 mA. Prąd zmienny i ma względnie dużą częstotliwość, typowo około 2 kHz.

W przedstawionym urządzeniu, prąd stały i zmienny płynące w dwóch cewkach generują układ pola magnetycznego, w którym zero magnetyczne występuje w kierunku x w punktach leżących w płaszczyźnie równoległej do dwóch cewek i w pół drogi między nimi. Na fig. 1, współrzędne x i y tej środkowej płaszczyzny mają oznaczenia 2 i 3.

Gdy magnetyczny znacznik przechodzi przez dwie cewki pokazane na fig. 1, przesuwając się w kierunku x i zasadniczo wzdłuż osi wzdłużnej wyznaczonej pomiędzy punktami środkowymi cewek, przechodzi on przez inwersję polaryzacji pola magnetycznego w płaszczyźnie środkowej wyznaczonej przez współrzędne 2 i 3. Zmiana polaryzacji pola magnetycznego ma miejsce, ponieważ prąd DC przepływa w jednym kierunku w pierwszej cewce, oraz w przeciwnym w drugiej, jak to oznaczono pogrubionymi strzałkami na fig. 1. W płaszczyźnie środkowej, składowa pola magnetycznego generowana przez prąd stały przepływający w pierwszej cewce dokładnie zeruje się ze składową pola magnetycznego generowaną przez prąd stały płynący w drugiej cewce.

Gdy znacznik przesuwa się przez środek pierwszej cewki, doświadcza silnego pola magnetycznego, które jest wystarczające by nasycić jego aktywne magnetycznie elementy, gdy natężenie pola zmniejsza się w czasie ruchu w stronę płaszczyzny środkowej, materiał magnetyczny doświadcza zmniejszania się pola magnetycznego w sposób określony krzywą histerezy. W sąsiedztwie zera magnetycznego, kierunek namagnesowania elementów magnetycznych znacznika jest odwracany.

Względnie duża częstotliwość prądu zmiennego i pokazanego na fig. 1 jest identyczna dla każdej z cewek Txl i Tx2.

Prąd zmienny może mieć częstotliwość wybraną z dużego zakresu, jak to już wspomniano, a typowa wartość robocza w układzie z fig. 1 wynosi około 2 kHz. Dzięki temu, że amplituda prądu zmiennego jest względnie mała, płaszczyzna środkowa wyznaczona przez układ współrzędnych 2, 3 oscyluje wokół geometrycznego punktu środkowego wzdłuż osi przechodzącej przez środki obu cewek. Innymi słowy, płaszczyzna zawierająca zero magnetyczne oscyluje lub odchyla się w tę i z powrotem w małym obszarze przestrzeni, z częstotliwością równą częstotliwości prądu zmiennego.

Na figurze 2 pokazano prosty układ do wytwarzania przeciwnych stałych pól DC w połączeniu ze zmiennymi polami AC. Kondensator Cl jest tak dobrany, że rezonuje z konduktancją cewek Txl i Tx2 z częstotliwością wzbudzania zmiennego prądu AC. Każda z tych cewek ma rezystancję 6 Ω i induktancję 100 mH. Typowa wartość dla Cl to 0,1 pF. C2 jest kondensatorem dobranym w taki sposób, by zachowywał się jak zwarcie przy częstotliwości wzbudzenia AC. Typowa pojemność tego elementu wynosi 22 pF. Źródło stałego zasilania DC typowo zapewnia 30 V przy 3 A, a źródło zmiennego zasilania AC typowo dostarcza prąd zmienny o częstotliwości 2 kHz przy wartości skutecznej 2 V.

181 020

Na figurze 3 przedstawiono w jaki sposób namagnesowanie pojedynczego elementu zmienia się w czasie w różnych położeniach w układzie pola magnetycznego utworzonym pomiędzy cewkami Txl i Tx2 z fig. 1. Dla przejrzystości rysunku, oscylację płaszczyzny zawierającej zero magnetyczne są pokazane przy użyciu grubych strzałek 4, a skrajne położenia tej płaszczyzny są reprezentowane przez przerywane linie 5 i 6, natomiast punkt środkowy pomiędzy płaszczyznami ograniczającymi 5 i 6 jest oznaczony przerywaną linią 7. W części po prawej stronie fig. 3, pokazane jest przyłożone zmienne pole AC, zmieniając się w czasie pomiędzy dodatnimi i ujemnymi wartościami pola H+, H-. Pod wykresem przykładanego zmiennego pola AC pokazanych jest pięć wykresów pokazujących, jak uogólnione namagnesowanie elementu magnetycznego zmienia się w czasie w każdej z pięciu pozycji geometrycznych, oznaczonych od lewej jako pozycja 1, pozycja 2, itd. Płaszczyzny 5 i 6 wyznaczają granice obszarów, w którym występują odwrócenia polaryzacji pola magnetycznego. W praktyce, odstęp pomiędzy płaszczyznami 5 i 6 wynosi typowo około 1 mm. Dla konkretnego materiału magnetycznego ta wartość może być na życzenie zwiększana lub zmniejszana w zadanych granicach poprzez zmianę amplitudy zmiennego prądu AC i/lub stałego prądu DC w cewkach.

W każdym momencie, element magnetyczny posiada liniową oś namagnesowania, która jest prostopadła do płaszczyzn 5, 6 i 7.

W pozycji 1, koniec elementu magnetycznego sąsiaduje z płaszczyzną 6. W tym momencie, doświadcza on działania przez cały czas dodatniego pola magnetycznego i jego uogólnione namagnesowanie nie zmienia się w czasie. W pozycji 2, przedni koniec elementu dochodzi do środkowej płaszczyzny 7. Jednakże, większość materiału magnetycznego wciąż pozostaje poza płaszczyzną ograniczającą 6. W efekcie, płaszczyzna zerowa jest w stanie oddziaływać na jedynie część materiału magnetycznego, w wyniku czego uogólnione namagnesowanie jest zmienne w czasie i posiada powtarzający się wzór, to znaczy po linii prostej części o dodatniej wartości następuje zasadniczo sinusoidalny łuk, który zbiega do zera, a następnie wznosi się do swej pierwotnej, dodatniej wartości.

W pozycji 3, materiał magnetyczny jest umieszczony symetrycznie względem płaszczyzny środkowej 7. Wówczas, wykres uogólnionego namagnesowania w funkcji czasu składa się z przebiegu sinusoidalnego, którego częstotliwość odpowiada częstotliwości AC przyłożonego pola. W pozycji 4, większa część elementu magnetycznego doświadcza przez cały czas ujemnego pola magnetycznego, a małe jego części doświadczają zmian polaryzacji. W wyniku uzyskuje się pokazany wykres zależności namagnesowania w funkcji czasu. Fakt, że pozycja 4 jest w efekcie odwróceniem pozycji 2 znajduje odbicie w zależności pomiędzy wykresami namagnesowania dla tych dwóch pozycji. Jak widać, wykres dla pozycji 4 jest w zasadzie lustrzanym odbiciem wykresu dla pozycji 2, przy czym zakrzywione części są przesunięte w czasie.

W pozycji 5, cały znacznik jest poddany działaniu ujemnego pola magnetycznego i żadna część znacznika nie doświadcza odwracania polaryzacji. W rezultacie, uogólnione namagnesowanie nie zmienia się w czasie i ma stałą, ujemną wartość.

Gdy znacznik zawierający taki element magnetyczny jest przeprowadzany wzdłuż osi cewek przez obszar pola zerowego, będzie on początkowo całkowicie nasycony przez stałe pole magnetyczne DC. Następnie będzie występować pętla histerezy w czasie, gdy będzie on przechodził przez obszar pola zerowego. W końcu, zostanie on ponownie nasycony. Część ruchu, w czasie którego materiał magnetyczny jest aktywny, to znaczy poddaje się zmianom magnetycznym, jest fizycznie bardzo niewielka oraz jest określona przez amplitudę stałego pola DC, amplitudę zmiennego pola AC, oraz własności materiału magnetycznego. Jeśli poziom zmiennego pola magnetycznego jest znacznie niższy niż wymagany do nasycenia materiału magnetycznego w znaczniku, składowe harmoniczne zmiennego sygnału AC będą generowane przez znacznik w momencie, gdy wchodzi on od obszaru pola zerowego (pozycje 1 i 2) i reaguje na zmianę pola. Gdy znacznik przechodzi przez wąski obszar pola zerowego (pozycja 3), jest on wzbudzony do powstania pętli histerezy, oraz będzie współpracował poprzez odpromieniowanie jedynie podstawowej częstotliwości badania. Następnie, gdy znacz

181 020 nik opuszcza obszar pola zerowego (pozycje 4 i 5), ponownie rozpoczyna emisję składowych harmonicznych częstotliwości pola badania.

Cewka odbiornika Rx, który jest tak zaprojektowany, że jest wrażliwy na pola wytwarzane w obszarze pola zerowego, lecz który nie jest bezpośrednio sprzężony z cewkami Tx urządzenia wywołującego do odzewu, odbiera jedynie te sygnały. Takie rozwiązanie może być uzyskane poprzez użycie oddzielnych cewek Tx i Rx tak fizycznie rozmieszczonych, by miały niewielkie wzajemne sprzężenie, albo poprzez użycie pojedynczej cewki, spełniającej obie funkcje cewek Rx i Tx, razem z odpowiednim filtrowaniem w torach cewek Rx i Tx. Zmiany tych sygnałów w czasie, gdy znacznik przechodzi wzdłuż osi cewek, dają precyzyjne wskazanie przechodzenia końców materiału magnetycznego przez obszar pola zerowego.

Wynik tej interakcji pomiędzy znacznikiem i polem magnetycznym, którego działaniu jest on poddawany, jest pokazany na fig. 3b. Na tej fig. 3b obszar 4, w którym oscyluje zero magnetyczne, jest pokazany w mniejszej skali, a numerowane kropki odpowiadają położeniu punktu środkowego znacznika w każdym z położeń 7-5. Wytwarzanie przez znacznik sygnału składowych harmonicznych, przy czym pokazano drugą składową harmoniczną zastosowanej częstotliwości, jest widoczne w położeniach, gdzie znacznik wchodzi do obszaru wyznaczonego przez płaszczyzny ograniczające 5 i 6, to znaczy strefy, gdzie występują zmiany polaryzacji pola magnetycznego. Z racji symetrii systemu, pojedynczy element magnetyczny będzie generował dwie wartości szczytowe 8a i 8b, ponieważ pozycje 2 i 4 są analogiczne.

Nawiązując do fig. 4, pokazane są linie sił, to znaczy kontury magnetyczne, istniejące w przykładowym magnesie prętowym. Płaszczyzna X-Y, która przecina oś wzdłużną magnesu prętowego i która jest prostopadła do płaszczyzny papieru, tworzy magnetyczną płaszczyznę zerową. Tak więc element magnetyczny, posiadający czułą oś magnetyczną ustawioną liniowo prostopadle do płaszczyzny zerowej, doświadcza działania zerowego pola magnetycznego w czasie, gdy przesuwa się torem A-B lub C-D. W konsekwencji, prosty magnes prętowy może być użyty jako część systemu badającego do wykrywania obecności takiego znacznika magnetycznego, albo do odczytu informacji przenoszonej przez ten znacznik.

Generowanie sygnału drugiej składowej harmonicznej stanowi podstawę systemu detekcji znacznika. Jeśli zamiast pojedynczego elementu magnetycznego stosuje się układ liniowy n elementów magnetycznych, druga składowa harmoniczna uzyskiwana ze znacznika będzie zawierać n podwójnych szczytów, każdy typu pokazanego na fig. 3b. Jeśli rozmiar i własności magnetyczne elementów magnetycznych są takie same, te szczyty mają taki sam kształt i wyznaczają zarys o stałym obszarze. Odstępy pomiędzy poszczególnymi elementami magnetycznymi wpływają na względne pozycje podwójnych szczytów na wykresie amplitudy w funkcji czasu. Wynalazek nie ogranicza się jedynie do zastosowania takich prostych, powyżej opisanych znaczników. Użycie elementów magnetycznych o różnych rozmiarach i własnościach magnetycznych, z różnorodnymi odstępami wzdłuż długości znacznika magnetycznego, generują bardziej złożone układy sygnałów, które są charakterystyczne dla konkretnej struktury znacznika. Poprzez zmianę ilości, własności magnetycznych i rozmieszczenia szeregu elementów magnetycznych możliwe jest wytwarzanie bardzo dużej ilości znaczników magnetycznych, z których każdy posiada własne, unikalne właściwości, które powodują generację unikalnego sygnału przy stosowaniu wraz z systemem z fig. 1-3.

Wynalazek nie ogranicza się do obserwacji drugiej składowej harmonicznej zastosowanej częstotliwości. Ta szczególna składowa harmoniczna została wybrana dla celów ilustracyjnych, ponieważ względnie łatwo jest generować sygnał transmisyjny (wyjście cewki Tx), który nie posiada żadnej (lub niewielką) składowej harmonicznej, przez co zapewnia się dobre rozróżnianie pomiędzy sygnałem wyjściowym cewki Tx i odpowiedzią znacznika, oraz ponieważ zawiera on względnie dużą część całkowitej energii harmonicznych odprowadzanej ze znacznika.

Nawiązując do fig. 5, schematycznie pokazane jest rozwiązanie prostego czytnika znaczników, gdzie czytnik wykorzystuje trwały magnes 10 i cewkę 11 umieszczoną w sąsiedztwie jednej powierzchni magnesu. W tym przykładzie realizacji, przeznaczony do odczytu znacznik jest przesuwany wzdłuż toru C-D przez cewkę 11, albo wzdłuż toru A-B ponad cewką. Znaczniki muszą być tak skierowane, by z ich oś magnetyczna była w układzie

181 020 liniowym z kierunkiem ruchu znacznika. Płaszczyzna zera magnetycznego 12 jest usytuowana jak zaznaczono na fig. 5.

Nawiązując do fig. 6, przedstawiono tu zastosowanie dwóch trwałych magnesów ustawionych w taki sposób, że ich osie magnetyczne są w układzie liniowym, a analogiczne bieguny są ustawione przeciwstawnie. Takie rozwiązanie wytwarza płaszczyznę zerową 13. Wymagany kierunek ruchu znacznika jest oznaczony strzałkami 14. Oś magnetyczna znacznika musi być w układzie liniowym z kierunkiem ruchu.

Na figurze 7 pokazano prostą realizację głowicy czytnika znaczników wykorzystującej liczne trwałe magnesy do generacji magnetycznej płaszczyzny zerowej. Jak pokazano, dziesięć złączonych polimerami magnesów fenylowych jest rozmieszczonych w pierścieniowym układzie, z analogicznymi biegunami skierowanymi do siebie. Zwykła cewka LI do nadawania/odbioru jest umieszczona w wewnętrznej części pierścienia złożonego z magnesów. Znacznik jest odczytywany w czasie, gdy przechodzi przez płaszczyznę zerową w środku pętli z magnesów.

Nawiązując do fig. 8, pokazany jest tu przykład realizacji urządzenia określającego położenie znacznika magnetycznego. Bazuje ono na użyciu pojedynczej cewki LI, która pracuje jako cewka nadajnika Tx, która generuje żądany układ pola magnetycznego, oraz jako cewka odbiornika Rx. System wykorzystuje jako wyjście drugą składową harmoniczną jako podstawę do detekcji/identyfikacji znacznika. Komponenty obwodu Cl i L2 stanowią pułapkę rezonansową o częstotliwości 2f do redukcji sygnałów o tej częstotliwości w sygnale wyjściowym cewki Tx do bardzo niewielkiego poziomu, C2 rezonuje z LI przy częstotliwości f, natomiast komponenty C3, C4, LI i L3 tworzą filtr przepuszczający pożądane sygnały ze znacznika przy częstotliwości 2f oraz odrzucający sygnały o częstotliwości f.

Sygnał wyjściowy uzyskiwany z tego układu przechodzi przez filtr dolnoprzepustowy do przetwornika analogowo cyfrowego (A/C) i zostaje podane do cyfrowego procesora sygnałowego. Te komponenty, a w szczególności procesor sygnałowy, są tak dobrane, by odpowiadać przeznaczeniu jednostki badającej. Sposób i zespoły do przetwarzania sygnału są znane i nie zostały tu opisane.

Na figurze 9 pokazano podstawową strukturę znaczników magnetycznych według wynalazku. Na fig. 9a przedstawiono znacznik 100, któiy zawiera podłoże 101 (na przykład papier lub materiał z tworzywa sztucznego) i liniowy układ aktywnych magnetycznie obszarów 102, 103, 104, 105 i 106. Każdy aktywny magnetycznie obszar jest uformowany z fragmentu materiału magnetycznego o wysokiej przenikalności (na przykład Vaccumschmeltze 6025), którego oś magnetyczna przebiega wzdłuż długości znacznika. Każdy taki fragment ma obszar około 10 mm² ijest przylepiony do podłoża 101.

Obszary 101-105 mają identyczne wymiary i własności magnetyczne, oraz są równomiernie rozstawione, przy czym przestrzenie 110, 111 i 112 są takie same. Przestrzeń pomiędzy fragmentami 105 i 106 jest jednakże większa, ponieważ w pozycji przeznaczonej dla obszaru 113 nie występuje żaden inny obszar.

Znacznik 100 zachowuje się jak sześciobitowy znacznik o kodzie 111101, przy czym zero odpowiada obszarowi 113.

Funkcjonalnie identyczny znacznik 120 jest uformowany z podłoża 121 przenoszącego elementy magnetyczne 122-126 i posiadającego przestrzeń 127. W tym przykładzie realizacji, elementy magnetyczne mają postać paska lub drutu z materiału o dużej przenikalności (na przykład Vaccumschmeltze 6025), które typowo mają długość około 5 mm, szerokość 1 mm i grubość 1 pm.

Na figurze 9b przedstawiono alternatywną konstrukcję sześciobitowego, laminowanego znacznika 130. Ten znacznik reprezentuje kod 111101, tak jak na fig. 9a. W tym przypadku, ciągła warstwa lub podłużny odcinek materiału magnetycznego o dużej przenikalności 131 (w postaci drutu, paska, cienkiej błony lub folii), natomiast podłoże 133 zaciska między sobą magnetyczną warstwę polaryzacyjną 132. Warstwa polaryzacyjna jest namagnesowana w założonych obszarach, co wpływa na materiał o wysokiej przenikalności i wytwarza magnetycznie aktywne obszary oznaczone jako 134, 135, 136, 137 i 138. Obszar 139 nie jest aktywny

181 020 i zawiera zero magnetyczne. W czasie odczytywania przez system taki, jak z fig. 8, sygnał wyjściowy generowany przez znaczniki 100, 120 i 130 jest pokazany na fig. 9d.

Bardziej złożony znacznik jest pokazany na fig. 9c. Występują tu szeregi równoległych liniowych układów magnetycznie aktywnego materiału, tworzące matrycę 4x4 miejsc, gdzie materiał aktywny magnetycznie może być obecny (kodowanie jako Ί') lub nieobecny (kodowanie jako '0').

Na figurze 10 zilustrowano rozwiązanie trzech zestawów cewek stosowanych zgodnie z wynalazkiem, dla zastosowań chirurgicznych. Trzy zestawy cewek są wzajemnie prostopadłe i wyznaczają wnękę, w której umieszcza się głowę pacjenta 200. Pierwszy zestaw cewek składa się z cewek 20la i 20Ib. Drugi zestaw składa się z cewek 202a i 202b, natomiast trzeci zestaw składa się z cewek 203a i 203b. Na rysunku, dwie sondy chirurgiczne 204 i 205 są schematycznie pokazane w pozycji wewnątrz czaszki. Każda sonda zawiera, przy swych oddalonych końcach, znacznik magnetyczny 206, 207, taki jak opisano w nawiązaniu do fig. 9. Ponieważ element magnetyczny znacznika jest wymagany jedynie do zapewniania informacji o swej obecności (zamiast przechowywania dużej ilości danych), korzystne są proste znaczniki. Wystarczający jest pojedynczy element magnetyczny z materiału o dużej przenikalności umieszczony na wierzchołku sondy. Cewki pracują w sposób powyżej szczegółowo opisany. Przy pomocy wynalazku, możliwe jest wyznaczanie położeń końców sond z dużą precyzją, a w związku z tym możliwe jest wykonywanie delikatnych procedur chirurgicznych z dużą dokładnością i przy minimalnym zniszczeniu zdrowej tkanki.

181 020

Fig.2

181 020

Fig.3 ct

¹ 2 1 9 M. s , ppŁycja ζηαοζ.ηικα

3t

J pb-Łycja inQCżn'(kd

181 020

Fig.4

181 020

Fig.5

Fig.6

181 020

Fig.7

181 020

Hg.s

ŻRÓPM)

C2 _

I

Fig.9a

5£θΖ)ΕΚ

HSPoączy

ŚęOAEŹ h/SfoRCZy

fią-S&C O J>&/6OŚCJ Smm zMCZMKi 6- bitowe

1Ή4Ο1

181 020

<23SW?Y ΜΤϊΜΕ

ΑΛΛΑ V^=111101

Fig.

Fig.Sc

ZNACZEK 16»bitowy

181 020

Fig .10

ZESTAH CE/^ i

181 020

Fig.1

Tx GENKA ί

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz.

Cena 4,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Urządzenie do wywoływania odzewu magnetycznie zakodowanego znacznika, znamienne tym, że jest zaopatrzone w środki wytwarzające pole magnetyczne zawierające pierwszy obszar w którym składowa pola magnetycznego rozłożona w pierwszym kierunku jest zerowa, przy czym w obszarach sąsiadujących z tym pierwszym obszarem składowa pola magnetycznego rozłożona w tym pierwszym kierunku jest wystarczająca do nasycenia przynajmniej części znacznika, a ponadto urządzenie posiada układ elektryczny, który zawiera źródło sygnału o częstotliwości 2f i zespół wyjściowy zapewniający elektryczny sygnał wyjściowy, przy czym wspomniane źródło jest sprzężone z zespołem wyjściowym przez zespół dzielący przez dwa częstotliwość sygnału źródłowego, pierwszy filtr eliminujący sygnał o częstotliwości 2f, zespół obwodów strojonych, dostrojonych do częstotliwości f i zawierający cewkę nadawczą przystosowaną do promieniowania energii w kierunku magnetycznie zakodowanego znacznika, umieszczonego w obszarze oddziaływania promieniowanej energii, oraz cewkę odbiorczą do odbioru energii promieniowanej przez znacznik w odpowiedzi na odebraną energię, oraz drugi filtr eliminujący sygnał o częstotliwości f i przepuszczający sygnał o częstotliwości 2f, przy czym zespół wyjściowy jest dostosowany do wyprowadzenia sygnału wyjściowego zależnego od amplitudy sygnału wyjściowego drugiego filtru i różnicy fazy pomiędzy źródłem i wyjściem drugiego filtru, a ponadto środki wytwarzające pole magnetyczne są połączone z cewkami nadawczą i odbiorczą, przy czym magnetycznie zakodowany znacznik przemieszczający się przez pierwszy obszar jest przystosowany do oddziaływania wzajemnego z tymi cewkami, nadawczą i odbiorczą.
2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że znacznik magnetyczny (100; 120) ma podłoże, w którym znajduje się zbiór dyskretnych, magnetycznie aktywnych obszarów (101-105; 122-125) rozmieszczonych w przynajmniej jednym liniowym układzie, przy czym aktywne magnetycznie obszary są utworzone z cienkiej błony lub wirowo wytapianego materiału mającego uprzywilejowaną oś magnetyzacji, a uprzywilejowane osie magnetyzacji poszczególnych układów liniowych są ustawione liniowo z każdym układem liniowym.
3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że aktywne magnetycznie obszary znacznika i/lub przestrzenie między nimi są niejednolite.
4. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że uprzywilejowane osie magnetyzacji magnetycznie aktywnych obszarów znacznika są utworzone przez wzdłużne wyżarzanie wytapianego wirowo materiału.
5. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że dyskretne, aktywne magnetycznie obszary znacznika magnetycznego są utworzone z ciągłego obszaru magnesowalnego materiału, którego dyskretne obszary są namagnesowane oraz utworzona jest jedna lub więcej przestrzeni pomiędzy tymi aktywnymi magnetycznie obszarami.
6. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że znacznik posiada dwa rozmieszczone prostopadle liniowe układy magnetycznie aktywnych obszarów.
7. Urządzenie według zastrz. 3 albo 4 albo 5, znamienne tym, że znacznik magnetyczny ma postać względnie dhigiego, cienkiego paska, którego uprzywilejowana oś magnetyzacji przebiega wzdłuż jego długości.
8. Urządzenie według zastrz. 4 albo 5 albo 6 albo 7, znamienne tym, że każdy z aktywnych magnetycznie obszarów znacznika magnetycznego ma taki sam kształt i rozmiar.
9. Urządzenie według zastrz. 4 albo 5 albo 6 albo 7, znamienne tym, że odstępy między każdym z magnetycznie aktywnych obszarów są jednako we.

181 020
10. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że odstępy między każdym z magnetycznie aktywnych obszarów są niejednakowe.

* * *